1、主讲人：钱宏亮主讲人：钱宏亮哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1/411 什么是空间结构？平面结构Plane Structure空间结构Space Structure2/41由平面体系组成的结构 Constructions Composed of Plane Structures单层厂房Single-Storey Industrial Building多层框架Multi-Storey Frame3/41桁架桥Truss Bridge拱桥Arch Bridge 任何结构本质上都是任何结构本质上都是空间性质空间性质的。只不的。只不过出于过出于简化设计和建造简化设计和建造的目的，人们在许多的目的，人们在许
2、多场合场合有条件地有条件地把它们分解成一片片把它们分解成一片片平面结构平面结构来进行计算和构造。来进行计算和构造。4/41国家体育场国家体育场美国迪斯尼乐园球幕电影院美国迪斯尼乐园球幕电影院不能被分解为平面体系的结构Constructions Unable to be decomposed into Plane Systems 空间结构空间结构日益显示出一般平面结构所日益显示出一般平面结构所无法比拟的创造潜力，体现出大自然的美无法比拟的创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。丽和神奇。5/412 空间结构的空间结构的特点特点1 1）能够跨越较大的跨度，特别适用于大型）能够跨越较大的跨度，特别适用于
3、大型公共建筑，如公共建筑，如 6/412 2）造型新颖优美，形式丰富多彩，往往是）造型新颖优美，形式丰富多彩，往往是一个地区的标志性建筑一个地区的标志性建筑海南会展中心深圳大运会体育场国家大剧院北京T3航站楼7/413 3）工作性能卓越，是一种高效的结构体系工作性能卓越，是一种高效的结构体系 如何克服由于跨度增大所带来的弯矩放大效如何克服由于跨度增大所带来的弯矩放大效应是空间结构设计的首要问题。应是空间结构设计的首要问题。思考：思考：1）对于一矩形截面简支梁，如果）对于一矩形截面简支梁，如果b不变，不变，h和和L均放均放大大10倍，应力和位移如何变化？（只计自重）倍，应力和位移如何变化？（只计
4、自重）2）如果要保证应力不变，高度应放大多少倍？）如果要保证应力不变，高度应放大多少倍？beambhL8/41结构效率系数 GRS结构抗力重力荷载效应试以简支梁为例，推导其结构效率系数。试以简支梁为例，推导其结构效率系数。286GRfhSLf 材料强度 材料重度如何提高结构效率？如何提高结构效率？1）采用轻质高强材料；）采用轻质高强材料；2）使构件截面高度以超）使构件截面高度以超过过L2倍的速度增长。倍的速度增长。9/41Mild SteelSteel CablePerlonGlass fiber不同材料的破断长度ruptfL途径途径1 1：采用轻质高强的新材料采用轻质高强的新材料。10/41
5、途径途径2 2：移除结构中强度利用不充分的材料移除结构中强度利用不充分的材料，降，降低当量重度，间接实现轻质高强。低当量重度，间接实现轻质高强。beambh1）工字型截面的当量重度）工字型截面的当量重度降低一倍，即降低一倍，即2）但这种降低是有限的，）但这种降低是有限的，并不能从根本上解决材并不能从根本上解决材料用量随料用量随L2增长的问题增长的问题2工矩11/41途径途径3 3：由由平面受力平面受力变为变为空间受力空间受力，相当于分担，相当于分担了每个平面结构的外荷载，降低了对其承载效了每个平面结构的外荷载，降低了对其承载效率的要求。率的要求。桁架桁架周边简支周边简支RC薄板薄板h=L/40
6、=4m/40=100mm 简支简支RC梁梁h=L/10=4m/10=400mm交叉桁架体系交叉桁架体系 四角锥体系四角锥体系格构式板格构式板平板网架平板网架途径途径4 4：通过通过改变结构形状改变结构形状，调整内力分布，间，调整内力分布，间接实现结构高度的增加。接实现结构高度的增加。xpM = 0.5 p ( l- x ) x二次抛物线archfH=M0/fcablefH=M0/f13/41三维三维RC扁壳扁壳h=L/500=40m/500=80mm格构式梁格构式梁桁架桁架周边简支周边简支RC薄板薄板h=L/40=4m/40=100mm张弦梁张弦梁 简支简支RC梁梁h=L/10=4m/10=4
7、00mm张弦梁张弦梁（Beam String）交叉桁架体系交叉桁架体系 四角锥体系四角锥体系平板网架平板网架 格构式壳格构式壳网壳网壳 弦支穹顶弦支穹顶(suspen Dome)一一维维传传力力二二维维传传力力三三维维传传力力14/413 空间结构空间结构基本类型基本类型1.薄壳结构 Thin-Shell Structures2.空间网格结构 Latticed Space Structures(Space Frames)l 平板网架 Plate-like Space Trussl 网壳结构 Reticular Shelll 其它形式网格体系 Other Space Frames3.张力结构 T
8、ensile Structuresl 索结构 Cable Structuresl 膜结构 Membrane Structures4.混合结构 Hybrid Structures l 张弦结构 Beam String Structuresl 索撑结构 Cable braced Structures15/41薄壳结构薄壳结构 由混凝土等材料构成的由混凝土等材料构成的曲面形薄板结构曲面形薄板结构，以承受以承受面内轴力为主面内轴力为主，厚度仅为跨度的几百分之一。，厚度仅为跨度的几百分之一。 球面椭圆抛物面(双曲扁壳)柱面双曲抛物面之组合矩形平面 菱形平面双曲抛物面（鞍形壳）16/41薄壳结构工程实例L
9、ittle Sports Palace in Rome，P.L. Nervi 直径直径60m，采用，采用25mm厚棱形槽板拼接而成，上浇厚棱形槽板拼接而成，上浇40mm钢筋混钢筋混凝土面层，折算厚度约为跨度的凝土面层，折算厚度约为跨度的1/80。17/41薄壳结构工程实例壳体截面壳体截面三角形平面，边长三角形平面，边长208m208m，顶高，顶高48m, 48m, 是当时跨度最大的壳体；是当时跨度最大的壳体；采用分段预制式双层双曲薄壳，采用分段预制式双层双曲薄壳，折算厚度仅为跨度的折算厚度仅为跨度的1/1141/114。18/41薄壳结构工程实例Valencia Oceanografic, F
10、elix CandelaSydney Opera House（1959-1973）A gas station, Heinz Isler Market Hall, E. Torroja (1933 )19/41平板网架平板网架 由多根杆件按照一定规律组合而成的网格状平板由多根杆件按照一定规律组合而成的网格状平板型型空间杆系结构空间杆系结构，具有刚度好、施工快等特点。，具有刚度好、施工快等特点。 20/41网壳结构网壳结构 曲面型网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的特曲面型网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的特性，受力合理，覆盖跨度大。性，受力合理，覆盖跨度大。 21/41其他形式网格体系其他形式网格
11、体系22/41施工照片建成照片23/412010深圳大运会深圳大运会主体育场主体育场（折板型空间网格结构）（折板型空间网格结构）24/41索结构索结构 由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，由于充分发挥了钢材受拉性能好的特点，因此可以跨由于充分发挥了钢材受拉性能好的特点，因此可以跨越很大的跨度越很大的跨度 。 25/41膜结构膜结构 由高强度柔性薄膜材料与支承体系结合形成的具有由高强度柔性薄膜材料与支承体系结合形成的具有一定刚度的稳定曲面结构，具有轻盈、美观的特点。一定刚度的稳定曲面结构，具有轻盈、美观的特点。 26/41混合体系混合体系 将刚性构
12、件将刚性构件( (梁、拱、桁架、网架、网壳等梁、拱、桁架、网架、网壳等) )与柔性与柔性索结合，形成的轻型屋盖体系。索结合，形成的轻型屋盖体系。张弦结构索撑结构27/414 空间结构空间结构回顾与展望回顾与展望圣彼得教堂，圣彼得教堂，1612万神庙，万神庙，125 AD（一）砖石时期（一）砖石时期28/4129/41Great Conservatory, 1836 Joseph Paxton宽宽37米，长米，长68米，高米，高20米米 19 19世纪初生铁材料出现，欧洲大陆兴起铁建世纪初生铁材料出现，欧洲大陆兴起铁建筑热潮。筑热潮。30/41Crystal Palace London Hyde
13、 Park, 1850宽宽124米，长米，长564米，共跨，高米，共跨，高3层，耗铁量约层，耗铁量约4000吨，吨，折合折合60kg/m2，从设计到竣工仅，从设计到竣工仅6个月。个月。 31/41 19 19世纪末，钢筋混凝土结构出现，壳体分析世纪末，钢筋混凝土结构出现，壳体分析理论快速发展，为薄壳结构兴起创造了条件。理论快速发展，为薄壳结构兴起创造了条件。Heimburg Tennis Center - Heinz IslerHershey ice hockey arena- Anton Tedesko70103m, 1936北京站候车厅（北京站候车厅（35x35m35x35m）195819
14、58北京网球馆（北京网球馆（42x42m42x42m）1964196418.648m, 197932/41Heinz Isler（1926- ）Pier Luigi Nervi（1891-1979）Eduardo Torroja (18991961) Felix Candela (1910-1997) 33/41 20世纪初，世纪初，Bell率先提出率先提出并实践了空间网格结构并实践了空间网格结构 1940年，年，MERO体系问世体系问世推动了空间网格结构的发展推动了空间网格结构的发展34/41 第一个现代悬索屋盖结构第一个现代悬索屋盖结构 美国美国 Raleigh体育馆体育馆 鞍形索网，鞍形
15、索网，929297m97m 1953年年 第一个现代大跨度膜结构第一个现代大跨度膜结构 日本大阪世博会美国馆日本大阪世博会美国馆 气承式膜结构，气承式膜结构，14014083m83m 1970 1970年年 35/41千年穹顶Millennium Dome, Greenwich, UK, 1999Membrane: PTFE Covered area: 100 000 m2Dome Height: 50mMast Height: 100 mSpan: 320m36/41Concept to cover East St. Louis with long span dome. 1969Design
16、er: R. Buckminster FullerProposal for long span dome in Antarctica. 1990Engineer: Buro Happold挑战：挑战：假如要设计一座跨度假如要设计一座跨度1000m1000m的穹顶，可能的穹顶，可能采用什么体系，解决哪些设计施工问题？采用什么体系，解决哪些设计施工问题？37/415 课程介绍课程介绍课程名称：大跨空间结构 课程性质：必修课 课程学时：28学时参考教材：张毅刚 等编著考核方式：开卷出勤出勤10%+大作业大作业20%+期中期中20%+期末期末50%38/41课程主要内容及要求课程主要内容及要求1. 概
17、论2. 网架结构3. 网壳结构 4. 悬索结构5. 薄膜结构 6. 新型空间结构 了解了解空间结构的空间结构的基本类基本类型型和和发展趋势发展趋势； 理解理解空间结构的空间结构的特点特点和和工作原理工作原理 掌握掌握典型空间结构的典型空间结构的分分析方法析方法和和设计方法设计方法； 熟悉熟悉典型空间结构的典型空间结构的构构造要求造要求和和施工方法施工方法。 39/41课程学习方法课程学习方法1.1.要注重概念学习，注重理论联系实际要注重概念学习，注重理论联系实际 概念概念是连接理论与实践的是连接理论与实践的桥梁，桥梁，是是创新创新型杰出工程师型杰出工程师的必备素质。的必备素质。书本知识工程实践善于观察善于观察勤于思考勤于思考勇于尝试勇于尝试40/412.2.要加强自己的分析能力和设计能力要加强自己的分析能力和设计能力实际材料实际荷载规范化规范化材料数学模型荷载数学模型结构数学模型结构体系组合模型模型的内力与变形模型结构性能评估实际结构性能推定41/41 是否是否关注美学关注美学是评价一名工程师及其设计作是评价一名工程师及其设计作品的重要标志。品的重要标志。3.3.要提升自己的美学鉴赏力要提升自己的美学鉴赏力适适用用美美观观经经济济安安全全42/41The End！
