1、大跨度钢结构的应用及其主要特点大跨度钢结构的应用及其主要特点大跨度钢结构的应用及其主要特点大跨度钢结构的应用及其主要特点大跨度钢结构的应用及其主要特点大跨度钢结构的应用及其主要特点 应用 公共建筑(剧院，展览馆，体育场馆，车站等) 专门用途的建筑 (飞机库，汽车库等) 生产性建筑(飞机制造厂装配车间，造船厂等) 主要特点 跨度大 120m 160m(长春体育馆，网壳结构，1998) 主跨1385m (江阴长江大桥，悬索结构，1999) 个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化) 大跨度房屋钢结构的类型大跨度房屋钢结构的类型大跨度房屋钢结构的类型大跨度房屋钢结构的类型大跨度房屋钢结构的类型大跨度
2、房屋钢结构的类型 平面结构 由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成 纵向构件层层重复传递荷载，并不分担荷载 梁式，框架式和拱式结构 空间结构 加强连接平面结构的纵向构件以形成一个整体结构，共同承载 克服荷载层层重复传递，经济性好，整体刚度大，抗震性能好 悬索结构，网架和网壳结构梁式结构梁式结构梁式结构梁式结构梁式结构梁式结构结构型式 跨度较小时，可采用实腹式梁 (常用工字形截面) 跨度在5070m及更大时，采用桁架形式(吊顶与下弦设间隙) 桁架外形及腹杆体系取决于跨度，屋面形式和吊顶结构 桁架高跨比一般为1/81/6(注：跨度大于50m时，运输超限) 常用梯形桁架；屋面坡度大时，宜用平
3、行弦；吊顶可作弧线形(设拉杆)框架结构框架结构框架结构框架结构框架结构框架结构(1)(1)(1) 特点 与梁式相比，框架结构可降低建筑物高度 结构上比梁式结构经济结构型式 跨度在5060m时，常用双铰实腹式框架(常用工字形截面) 减轻基础负担；结构可外露；横梁高度可取跨度的1/201/12 设置预应力拉杆减少跨中弯矩，横梁高度可取跨度的1/401/30框架结构框架结构框架结构框架结构框架结构框架结构(2)(2)(2) 跨度较大时，常用双铰格构式框架 跨度超过100m时，宜采用无铰格构式框架框架结构框架结构框架结构框架结构框架结构框架结构(3)(3)(3) 格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/2
4、01/12范围选取 格构式框架立柱的宽宜取其横梁的节间长度(卸载效应) 折线弓形框架接近于拱形结构的力学性能 常用于高度相对较大(跨度约4050m，高度约1520m)的建筑物 横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/251/15范围选取拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构(1)(1)(1) 特点 拱式屋盖受力合理 比梁式和框架式屋盖结构经济指标好(跨度超过80m时尤为显著) 结构布置 跨度为4060m时，拱间距可取610m，无檩或型钢檩条拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构(2)(2)(2) 跨度达100m左右时，宜采用相距36m的拱对，拱对间距为915m拱式结构拱式结构拱式结
5、构拱式结构拱式结构拱式结构(3)(3)(3) 侧窗难以开启，且宜积灰；檩条下移，构成横向天窗拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构(4)(4)(4)结构型式 双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低) 无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高) 三铰拱(应用不广，拱钥铰使结构复杂化) 亦分为实腹式和格构式 宜设计成等截面 实腹式截面高度可取跨度的1/801/50 格构式截面高度可取跨度的1/601/30 水平推力 拉杆设置 支座设计 框架结构 拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构拱式结构(5)(5)(5) 拱脚构造处理 构造不便 空间利用 空间结构u加强连接平面结构的纵向构
6、件以形成一个整体结构，共同承载u 克服荷载层层重复传递，经济性好，整体刚度大，抗震性能好u薄壳结构,悬索结构，网架和网壳结构,充气结构薄壳结构u薄壳结构基本概念：壳体厚度远小于曲面尺寸的物体。 薄壳结构u折板结构u圆顶壳结构u筒壳结构u双曲扁壳结构折板结构折板结构巴黎联合国教巴黎联合国教科文组织总部科文组织总部会议大厅会议大厅球壳罗马万神殿 约公元120124年建于意大利 ，直径43.3m，用天然火山灰，变壳厚，顶厚1.2m。球壳圣索菲亚大教堂 公元532537年建于土耳其伊斯担布尔，直径33m，原为拜占庭帝国东正教的宫庭教堂。 北京天文馆 1957年9月建成, 直径25m，6cm厚，自重20
7、0kg/m2。 德国耶纳泽司天文馆 建于1922年，直径25m半球形穹顶，砼厚6cm，第一个真正意义薄壳。筒壳锯齿形锥壳锯齿形锥壳双曲扁壳扭壳双曲抛物面扭壳结构双曲抛物面扭壳结构曲面壳顶的组合 组合曲面 圆柱面切割组合圆柱面切割组合组合扭面组合扭面美国TWA环球航空公司候机楼 美国著名建筑师沙里宁1961年设计，用4片钢筋砼扁壳组成，形似一只正要起飞的大鸟。美国圣路易斯航空港候机大厅 墨西哥城霍奇米尔科水上公园餐馆 建于1958年，费利克斯坎德拉设计，八片莲花形双曲抛物面壳。 网架与网壳我国网架结构发我国网架结构发展历程展历程1982年修建中的上海游泳馆1984年建造的广州天河体育中心体育馆网
8、架网架网架网架网架网架 (1)(1)(1) 特点 多向传力，空间刚度大，抗震性能好 适应性强 经济指标好 网架类别(以网架构成方式分类) 由平面桁架构成(四种)两向正交正放网架表示法网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(2)(2)(2)两向正交斜放两向斜交斜放两向正交斜放两向正交斜放 短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利 角部产生拔力，常取无角部形式两向斜交斜放两向斜交斜放 适用于两个方向网格尺寸不同的情形 受力性能欠佳，节点构造较复杂网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(3)(3)(3)三向网架三个
9、方向的平面桁架相互交角60比两向网架刚度大，适合大跨度常用于正三角形，正六三角形平面在谋些平面形状会出现不规则杆件 由四角锥体构成(五种)正放四角锥网架正放抽空四角锥网架网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(4)(4)(4)斜放四角锥网架棋盘形四角锥网架星形四角锥网架斜放四角锥网架受力合理，杆件数量少屋面板类型多屋面组织排水较困难棋盘形四角锥网架保持正放四角锥网架周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放。克服了斜放四角锥网架屋面板类型多，屋面组织排水较困难的缺点。 由三角锥体构成(三种)三角锥网架网架和网壳结构网架和
10、网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(5)(5)(5)抽空三角锥网架蜂窝形三角锥网架 三(多)层网架 减少弦杆内力(25% 60%)，减小网格尺寸，大跨经济性好；杆件数量多 三层网架示意图网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(6)(6)(6) 网架的点支承 点支承的设置原则 通过正弯矩和挠度减小，使整个网架的内力趋于均匀 对于单跨多点支承，悬挑长度宜取中间跨的1/3 (下图a) 对于多跨多点支承，悬挑长度宜取中间跨的1/4(下图b) 点支承的柱帽形式 网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结
11、构网架和网壳结构(7)(7)(7) 网架选型 周边支承的矩形平面形状 长短边之比1.5时： 斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架，正放抽空四角锥网架 对于中(30m 60m)小(1.5时： 宜选正放类网架-两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架 点支承的矩形平面形状 两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架 圆形，多边形平面形状 宜选三向网架，三角锥网架，抽空三角锥网架 两边或三边支承的矩形平面形状 自由边作处理后可按周边支承情形考虑。自由边的两种处理方法： (a)整个网架高度加大，自由边杆件截面增大 (b)自由边局部增加网架层数(形成反梁)自由边反梁网架网架网架网架网架
12、网架 (8)(8)(8) 网架屋面排水 网架起拱 适于双坡排水；抗震性好；起拱高度过大，内力分析应计及 网架变高度 可降低弦杆内力，使其趋于均匀；抗震性好；杆件种类增多 上弦节点设置小立柱(常用) 可构造双坡，四坡或其它复杂的多坡排水屋面；跨度大时要作稳定和抗震计算 网架几何尺寸 钢筋混凝土屋面体系钢檩条屋面体系网架形式网格数跨高比网格数跨高比两向正交正放，正放四角锥正放抽空四角锥(24)+0.2L2两向正交斜放，棋盘形四角锥斜放四角锥，星形四角锥(68)+0.08L21014(68)+0.07L2(1317)+0.03L2注：L2 是以米计的网架短向跨度；跨度小于18米时网格数可适当减少。网
13、壳我国网壳结构发展历程我国网壳结构发展历程网壳结构网壳结构网壳结构网壳结构网壳结构网壳结构(1)(1)(1)单层柱面网壳的网格形式a)单斜杆柱面网壳：杆件数量少，节点构造简单；刚度差b)人字形柱面网壳：亦称弗普尔形柱面网壳c)双斜杆柱面网：壳杆件数量多；刚度好d)联方网格柱面网壳：杆件组成菱形，夹角为30 50e)三向网格柱面网壳：联方网格柱面加纵向杆件 网壳类别(以曲面外形分类) 柱面网壳网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(10)(10)(10)a)正放四角锥柱面网壳b)正放抽空四角锥柱面网壳c)斜置正放四角锥柱面网壳d)三角锥柱面网壳e)抽
14、空三角锥柱面网壳双层柱面网壳的网格形式1.交叉桁架体系(略)2.四角锥体系 a)：刚度大，杆件少，最常用 b)：适用于小跨度，轻屋面 c)：系将a)斜置3.三角锥体系 常用d) ， e) 两种网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(11)(11)(11) 球面网壳a)肋环型球面网壳b)Schwedler型球面网壳c)Schwedler型球面网壳d)联方型球面网壳e)三向网格型球面网壳单层球面网壳的网格形式a):刚度差，适用于中，小跨度b):刚度好，适用于大，中跨度c):交叉斜杆Schwedler型 还有其它Schwedler型d):菱形网格，造型美
15、观e):适用于中，小跨度网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(12)(12)(12)a)肋环型四角锥球面网壳b)联方型四角锥球面网壳c)联方型三角锥球面网壳d)平板组成式球面网壳双层球面网壳的网格形式角锥体系(常见四种) a):肋环型四角锥球面网壳， b):联方型四角锥球面网壳 c):联方型三角锥球面网壳， d):平板组成式球面网壳网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构网架和网壳结构(13)(13)(13)a) 正交正放类b) 正交斜放类c) 正交斜放设斜杆类d) 正交斜放设斜杆类e) 正交斜放设斜杆类双曲面网壳的
16、网格形式1.正交正放类 a):单层时在方格内设斜杆 双层时组成四角锥体2.正交斜放类 b):抗剪强度弱 c):第三方向局部设斜杆 d):全部方格内设双斜杆 e):第三方向全局设斜杆 双曲面网壳网壳的应用2001年 河南鸭河口电厂干煤棚2003年 国家大剧院悬索结构是以只能受拉的索作为基本承重构件，并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系，是杆件截面材料强度利用效率最高的结构之一。 结构形式及分类单向单层单层悬索结构悬索屋盖结构通常由悬索系统，屋面系统和支承系统三部分构成。 单跨双跨悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构(1)(1)(1) 特点 轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度
17、 施工方便，费用低 便于建筑造型 单层悬索结构 平行布置形式(跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅，1956)水平梁和框架一起承受悬索拉力水平梁承受悬索拉力悬索直接锚挂于框架斜拉索将悬索拉力拉向地锚悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构(2)(2)(2) 幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面)下凹双曲率碟形屋面不便于排水，最大的碟形屋面：美国阿拉美达比赛馆，跨径128m(1967)伞形屋面最大的伞形屋面：前苏联伊利姆斯克汽车库，跨径206m受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作。可比平行布置做到较大跨度。 网状布置形式(适用于圆形，矩形等各种平面) 单层双向设计要点 单层悬索
18、体系垂跨比经验取值： 1/201/10 加强形状稳定性的措施： 采用重屋面 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件两向索正交布置屋面板规格统一边缘构件弯矩大于幅射式布置悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构(3)(3)(3) 双层悬索结构 索垳架一般形式 由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成 承重索垂跨比一般取1/201/15 ，稳定索拱跨比一般取1/201/25 平行布置形式悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构(4)(4)(4) 幅射式及网状布置形式上索既是稳定索，又直接承载a)双层内环梁 b)双层外环梁c)双层内外环梁d)单层外环梁网状布置e)双
19、层外环梁网状布置悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构(5)(5)(5)a) 鞍形索网布置形式帐篷式索网索网结构是同一曲面上两组曲率相反的单层悬索系统相交而成，凹向下为承重索，凸向上的稳定索。工程实例美国瑞雷（Raleigh）竞技馆（大剧院） 1952年建于美国北卡罗里那州，平面91.5m91.5近似圆形，两个砼斜放抛物线拱，鞍形正交预应力索网，世界上第一个现代悬索屋盖。美国华盛顿杜勒斯机场 1962沙里宁设计，两排巨型钢筋混凝土斜柱支撑，一高一低，其间悬挂40余米长的钢索，上铺屋面板，在重力的作用下，钢丝自然下垂，形成充满张力感的屋顶曲线。车辐式双层悬索体系悬索结构悬索结构悬索结构
20、悬索结构悬索结构悬索结构(6)(6)(6) 一些典型建筑 单层悬索德国乌柏特市游泳馆德国多特蒙特展览大厅前苏联克达斯若牙尔斯克车库日本古川市民会馆悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构(7)(7)(7) 双层悬索瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场芬兰赫尔辛基冰上运动场德国法兰克福机动车检修场罗马尼亚布加勒斯特文体宫悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构悬索结构(8)(8)(8) 鞍形索网前南斯拉夫莱士科瓦克纺织博览馆加拿大卡尔加里滑冰馆u膜结构富士馆充气膜结构 1970，大阪世界博览会而建 16根直径 4 m的气囊，圆平面屋盖直径50 m丹佛国际机场侯机楼张拉膜结构 平面尺寸 67 m
21、 X 305 m 17个连成一排的双支柱帐篷式单元组成索杆膜混合体系 桅杆塔柱 钢缆绳 膜面u我国的膜结构1996年 北京房山游泳馆当年修建膜结构5座面积：1.02万平米1997年 上海八万人体育场当年修建膜结构12座面积：5.08万平米1997年 长沙世界之窗剧场当年修建膜结构12座面积：5.08万平米1998年 深圳欢乐谷表演场当年修建膜结构21座面积：4.8万平米空间结构与仿生学u 仿生学 仿生学模仿生物原理来建筑技术系统，或者使人造技术系统具有类似于生物特征的科学。1960.9，斯梯尔命名为“Bionics”，1963，我国翻译成“仿生学”。自然界的空间结构 蛋壳薄壳结构； 蜂窝空间网格结构 肥皂泡充气膜结构；蜘蛛网索网结构生物体的构成原则 以最少的材料、最合理的结构形式取得最优的经济效果仿自然界形体 仿花 仿山势 仿波浪 仿生物骨架 仿分子原子结构 晶体结构 雪花 花粉
