大跨空间结构案例分析-图文(精)

通过这一个学期建筑结构选型将建筑结构分类如下:平面结构梁柱结构(框架结构桁架结构单层钢架结构拱式结构空间结构薄壁空间结构网架结构网壳结构网格结构悬索结构薄膜结构高层建筑结构平面结构平面屋盖结构空间跨度相比较小,节点、支座形式较简单。2008年奥运会摔跤比赛馆总建筑面积约23950平方米,比赛馆平面是一个82.4*94米平面,屋面是反对称的折面,采用巨型门式钢钢架结构,将建筑塑造为富有韵律感的 造型,如图所示。三维整体模型工程屋盖由12榀空间门式钢钢架组成,跨度82.4米,中心距8,0米,钢刚架为四肢组合的格构式结构。构件间的连接节点均为相贯节点,钢架柱(钢管连接于看台部分的钢筋混凝土柱,屋盖结构外形简洁、流畅,节点形式简单,刚度大,几何特性好。 单榀空间门式钢刚架单榀空间门式钢刚架(有连系杆单榀空间门式钢刚架(有连系杆 刚架柱支座空间结构网格结构网架结构一:2008奥运会国家体育馆国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,建筑面积80 476m2 ,固定座席118 万座,活动座2 000座,用于举办2008 年奥运会的体操、手球比赛,赛后用于举办体育比赛和文艺演出。虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆两部分,但屋盖结构在两个区域连成整体,即采用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热身馆两个区域,形成一个连续跨结构。空间网架结构在南北方向的网格尺寸为815m,东西方向的网格有两种尺寸,其中中间(轴a和K之间 的网格尺寸为1210m,其他轴的网格尺寸为815m。按照建筑造型要求,网架结构厚度在1151831973m之间。不包括悬挑结构在内,比赛馆的平面尺寸为114m 144m,跨度较大,为减小结构用钢量,增加结构刚度,充分发挥结构的空间受力性能,在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的钢索,钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连,形成双向张弦空间网格结构。其中最长桅杆的长度为91237m,钢索形状根据桅杆高度通过圆弧拟合确定。在热身馆区域,不包括悬挑结构,结构跨度为51m 63m,跨度较小,空间网架结构的高度与跨度比较协调,不需要在网架结构下部布置钢索。图2 是结构布置图。在网架结构的上弦平面内,除布置正交正放的上弦杆件外,还布置了菱形支撑杆件。菱形支撑的四个角点均位于上弦节间的中点,该点也是网架斜腹杆的上弦点。其中在比赛馆的四周边界满布菱形支撑,在内部跳格布置菱形支撑;在热身馆区域,仅在四周边界布置菱形支撑。由于比赛馆内的菱形支撑没有连续布置,为进一步提高上弦面的稳定性,通过隅撑和檩条系统将菱形支撑连成整体,组成完整的上弦面内支撑体系(见图2(a 。在网架结构的下弦面内,沿四周边界布置交叉支撑(见图2 (b 。除在四周边设有支座外,在热身区域和比赛区域交界处还有一排柱子支承,整个屋盖结构为东西方向单跨简支,南北方向两跨简支。具体支座的方式为在屋盖结构的8 个角点为三向固定球铰支座,其余为单向(法向 滑动球铰支座或双向滑动支座。 a 上弦杆 c 悬索和杆件的布置图b 下弦杆 d 1_1e 2_2二:上海世博会主题馆上海世博会主题馆地上建筑面积约8万m2,地下建筑面积约4.8万ITl2,建筑高度为26.30 m。主题馆平面水平投影为矩形,南北向长217.8 mC包括南北两侧各18.9 m悬挑屋檐。东西向长288 m。其中,屋面南北方向由6个V形折板单元组成波浪形屋面,每个折板单元的波长为36 ITI,矢高3 ITI,波脊标高为26.3 Fn,波谷标高为23.3 m。屋面由西侧展厅屋面、中厅屋面、东侧展厅屋面以及挑檐四部分构成。西侧展厅沿屋面南北向每间隔18 ITI布置一道预应力张弦桁架。预应力桁架结构高11.5 ITI,上部刚性杆件结构断面为正三角形立体桁架,高3 1TI、宽3 ITI,下部距预应力桁架两端45 1TI处各设置了两对空间V形撑杆,见图3。中庭及东部展厅自西向东结构的支承跨度依次为54,45,45 m,将西侧展厅预应力桁架的刚性上弦即3 m高的正三角形立体桁架向东侧屋面延伸连续布置,从而形成长度为270 m的四跨连续桁架梁1,见图3。檩条一端连接于桁架上弦节点、另一端连接于桁架的下弦节点;在檩条结构层内满堂布置约18 1TI18 m的交叉支撑,见图4。建筑,轴的外侧南北挑檐外挑约18.9 m,挑檐结构轴测图见图5。屋盖结构通过抗震球铰支座支承在下部钢结构柱柱顶,由西向东屋面桁架分别支承于轴、轴、轴、轴和轴柱的柱顶。其中轴和轴柱顶支座为固定球铰支座,轴、轴和轴柱顶采用施工过程中滑动,待屋面围护结构和幕墙结构安装完成后,再进行固定,使支座的工作模式变为固定铰支座,屋盖结构能与下部支承结构更好地协同工作。 屋面结构东西向剖面 屋面檩条及支撑布置挑檐结构轴侧示意屋盖单独模型主题馆下部结构采用钢框架结构,柱子为方钢管截面,柱间支撑采用了钢支撑和阻尼器支撑的混合支撑体系。三:广州亚运会台球壁球综合馆 3 温度缝的设置 4 节点设计 四:2008奥运会鸟巢国家体育场建筑体形上像鸟巢新颖独特,具有一定的独创性。可容纳8万人(奥运会期间可容纳10万人。平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间设185.3mX127.5m开口。 整体承重结构由一系列门式刚架绕着内环旋转而成,这种结构布置形成一种三维空间承重体系。每一榀刚架由高12m的屋盖桁架和三角形桁架柱组成,均采用加肋薄壁箱形截面,为了形成鸟巢效果主桁架上弦上还设有交叉的次要构件,也采用箱形截面。总用钢量现已优化到4.2万t。较前降低了1.2万t。 网壳结构一:北京老山奥运自行车馆屋盖结构采用双层球面网壳结构。网壳跨度133.06m,沿周边外挑8.238m,矢高14.69m,总投影面积约17000m2。网壳通过24对人字型柱支承于沿周边均匀分布的24根钢筋混凝土柱柱顶,人字型柱柱顶设置钢结构圈梁,利用网壳外挑部分设置圈梁桁架。钢筋混凝土柱柱顶标高+7.15m,网壳最高点标高+35.49m。网壳采用四角锥网格,最大网格尺寸为4.96m4.24m,厚度2.8m。屋面采用轻型金属屋面板,局部为玻璃采光屋面。网壳采用焊接球节点,最大杆件为21914,最大球节点为D65030,用钢量约为95kg/m2,其中双层球面网壳部分为60kg/m2,人字型柱及钢结构圈梁35kg/m2。 其设计及施工创新点有下列几方面:老山自行车馆屋盖采用的带人字型柱的双层球面网壳结构概念清晰、传力明确、应力分布合理,具有良好的抗震性能和稳定性能;环梁与柱脚铸钢球铰支座有效的减小了网壳对支柱及基础的推力,同时也解决了大跨度网架结构的温度应力问题;设置肋板与垫板提高了环梁大直径圆钢管(D=1200相贯节点抵抗局部失稳的能力,缓解了节点相贯处的局部应力集中,有效的提高了节点的复杂应力作用下的承载能;该网壳结构采用了外扩拼装及圆形拔杆群接力提升就位的安装方法,该方法简便可行、易于控制安装精度且施工费用低。二:2008奥运会乒乓球馆该体育馆屋盖的造型充分考虑了中国传统建筑特色和北京的城市建筑风格(图1 ,在建筑形象上抽象地表达了乒乓球比赛的特点。整个屋盖的屋檐水平投影为9312m72m 的矩形,长边屋檐向外挑出4m,短边屋檐外挑616m,屋檐的直线部分建筑标高为2114m,弧形部分屋檐的最高点标高为2815m。中央球壳的矢高为7m,其支承边界的直径24m,球冠标高为3313m。球壳覆面材料为玻璃,这就可以让自然光线穿过中央球壳照入室内。连接球壳边界与弧形屋檐高点的两条由低到高螺旋状的屋脊与透明的中央球壳成为屋盖建筑造型的特点,象征着乒乓球对速度、力量、旋转的综合要求。屋面其余部分由屋檐、屋脊、球壳构成其曲面边界,其曲面造型随这些边界形状的变化而渐变。整个屋面由于两条屋脊的旋转起伏形成了在空间上呈反对称的异形扁壳曲面。 作为奥运史上第一个乒乓球专用比赛场馆,北京大学体育馆的屋面造型非常独特(图1 。该屋面除了中央矢高为7m,跨度为24m 的中央球壳为球面外,其余的屋面部分无法采用解析曲面对其进行描述。然而屋面曲面形态的准确描述是屋盖结构选型、构件定位、排水设计、屋面施工的基础。为此,首先采用了NURBS技术完成其屋面的曲面形态设计。该体育馆中央球壳的标高为3313m,球壳周边的圆形支承边界的标高为2613m,旋转屋脊低端与中央球壳的圆支承边界相切,高端在屋檐处的最高点标高为2815m。两条短边直线屋檐的标高为2114m,两条长边屋檐直线部分的标高也是2114m,曲线部分由两段相切的弧线组成,最高点为2815m。整个屋面即由中央球壳支承边界、两条旋转起伏的异形屋脊、四条异形屋檐构成了其曲面的边界(图2 。在曲面建模程序中,首先完成上述曲面边界曲线的建模,作为屋面形态设计的主控制线,其中两条旋转屋脊采用样条曲线描述,其余的边界采用直线和圆弧进行描述。然后对屋面进行分区(图3 ,利用屋面呈反对称的特点,将屋面分解为几个具有异形边界的细分子域,每个子域的曲面形态即由其异形边界的曲率控制。 3 结构体系与布置在充分分析屋盖建筑造型特点的基础上,经多次方案论证,屋盖结构采用预应力平面桁架壳体(图6 。结合下部的混凝土结构柱网布置,共布置了32 榀辐射桁架,辐射桁架外端的竖腹杆(立柱 与下部混凝土结构的柱中心对齐,并通过抗震球铰支座支承于混凝土结构的柱顶,支座中心的水平投影位于64m80m的矩形上;辐射桁架内端由中心标高2613m、内径24m、断面宽2m、高5m的菱形受压刚性环连接成整体,进而形成中央球壳的支承结构。为了使结构造型与所取曲面形态一致,充分利用桁架结构建筑造型适应能力强的特点,将桁架上弦杆计成其轴线位于屋面曲面内的复杂曲线形状,下弦与上弦平行,桁架高215m,腹杆布置方式确保了较长的斜腹杆受拉,较短的竖腹杆受压。与每榀辐射桁架对应,在其下部设32 根预应力辐射拉索,拉索外端锚固于辐射桁架下弦与支座相邻的节点处,内端连接于标高2213m、内径26m 的水平受拉刚性环上。受拉刚性环通过高4m 的人字型受压撑杆与受压刚性环的下弦杆连接,从而将下部张拉索系与上部组合壳体组合成整体,形成杂交张拉结构体系。在施工安装阶段,通过张拉拉索对结构施加预应力,从而使人字型撑杆受压,实现对壳体反向加载,相当于对结构卸载,使结构产生与竖向荷载作用相反的内力和变形;在附加恒载和使用荷载作用下,壳体和拉索共同工作抵抗荷载,拉索、撑杆构成上层壳体的弹性支承。由于上述拉索预应力和弹性支承的共同作用,使得最终壳体的内力和变形明显减小,实现对壳体应力和变形的主动控制,从而大大提高了结构效率。水平受拉的刚性环为截面宽115m的平面桁架,其两根弦杆为426 20 ,腹杆为203 8 。在受力上,受拉刚性环主要在水平方向承担拉索锚固端传来的水平拉力,在竖向通过人字型撑杆与受压刚性环整体协同工作,形成了上部受压、下部受拉的高9m 的筒状刚性环。在使用功能上,受拉的刚性环同时兼作吊挂灯具设备的马道。中央球壳为跨度24m、矢高为7m 的单层钢管壳体,网格的水平投影尺寸为2m 2m,钢管规格为1596 ,钢管之间的连接采用直接相贯焊接。球壳沿周边支承在受压刚性环内侧中弦杆的节点上。而辐射桁架的上、下弦杆分别与受压刚性环的外侧中弦杆、下弦杆连接,这就可以通过受压刚性环的空间协调受力作用实现中央球壳的荷载向辐射桁架传递。为了使整个屋盖结构具有足够的空间承载刚度、各榀辐射桁架能协同受力,沿环向布置了6 道水平间距约为5m的同心环向支撑桁架,并在桁架上弦平面内布置联方形交叉支撑,这样布置的支撑体系一方面在宏观上可以有效地提高壳体面内的剪切刚度,形成空间受力体系,另一方面可以防止辐射桁架上、下弦杆发生出平面的屈曲(图6(d 。鉴于扁平的屋盖壳体在支座节点处将对下部混凝土结构产生较大的推力,32 个抗震球铰支座中除了4个角点处的支座为固定铰支座外,其余28 个支座均为单向滑动支座,长边支座沿y 方向滑动,短边支座沿x方向滑动。这样在活荷载、风荷载、雪荷载和多遇地震作用下,屋盖就不会在下部混凝土结构抗推承载力较弱的方向对下部框架产生推力,减小下部结构的梁柱截面。支座滑动对屋盖结构支承刚度的削弱,由锚固于临近支座的辐射拉索来弥补。为防止罕遇地震作用下滑动支座脱落,通过限位措施,限制滑动支座的滑程为70mm。屋盖钢结构杆件采用Q345B 级钢的圆钢管,杆件详细规格见表2 ,所有杆件节点形式为空间相贯节点。拉索采用了破断强度为1 670MPa 的半平行钢丝束拉索,由151 根5 的钢丝经大节距扭绞而成,其等效直径约60mm。 屋盖结构平面辐射桁架轴测图拉索、受拉刚性环及撑杆轴测图屋面支撑体系轴测图 屋盖结构剖面图刚性环整体轴测图三:上海世博会阿联酋馆 世博阿联酋馆建筑高度为20m, 总建筑面积为3457m2。阿联酋馆的屋盖由四部分组成:不透光部分(沙丘正面 、天窗部分(沙丘背面 、中央步行道屋面与入口处的悬挑雨篷(详见图24 ,屋盖结构关于轴对称。沙丘不透光部分为单层网壳结构,三角形网格的尺寸基本为2m 2m 2m,每个网格的三个角点作为屋面系统的支承点。网壳杆件截面为矩形钢管,截面尺寸为240mm 80mm,壁厚为8 12mm,材料为Q345B。网壳节点处,钢管的端部设置拧螺栓的施工孔,并焊有ZG20SiMn的铸钢件,铸钢件上设置螺栓孔。对应铸钢件的上下部分分别设置圆环形连接件,连接件采用45 号钢。铸钢件与圆环形连接件通过1019级的高强螺栓连接,螺栓规格主要为2M24,部分为2M27,并按照钢结构设计规范要求施加预紧力。节点构造详图6,该节点为典型的半刚性节点。 弦支穹顶一:2008奥运会羽毛球馆2008奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构已经建成并投入使用.是世界上最大跨度的弦支穹顶结构,如图1.3所示。该馆采用经济合理的联方.凯威特型弦支穹顶结构体系,跨度为93m,矢跨比未1111.9。上层为单层网壳,下部布置5圈预应力索杆体系,撑杆高度为3.9mH 州。2008年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学,总建筑面积24383 m2,其中,地下2580m2,基地面积24383 m2,总用地面积66124m2,体育馆规划用地面积为44355朋2。总坐席数7508席,其中固定席位5480席,临时席位2028席。建筑总高:最高点为25.95m,檐口高14.83m。建筑层数:地上2层,地下1层,屋盖采用联方一凯威特型弦支穹顶结构体系,跨度为93.0In,矢高9.3m,矢跨比为1/10。上弦为联方一凯威特型组合单层球面网壳,下部布置五圈索体系,撑杆高度为3.9m。网壳的环向杆件采用0245x9,径向杆件采用024510,撑杆采用159x6的Q345c钢管。环向索从外到内分别采用拉索SNS/S一7x199,5x139,5x139,5x61, 5x61。径向索最外圈采用SNS/S一5x61,其余四圈采用SNS/S一5x37。钢管的弹性模量E=2.06e11N/m2,索的弹性模量E=1.9e11N/m2。初拉力通过施加单元初应变引入,径向索的初拉力通过环向索间接引入。网壳节点为刚接,撑杆与网壳的连接点和撑杆与索的连接点为铰接,边缘支撑采用刚性环桁架梁。 由于施工方法的限制,上层网壳的安装定位依靠布置在节点下部的临时支撑完成,焊接完成后部分结构自重仍由临时支撑承担。 本文计算中采取的计算模型加入了外部2.4m的悬挑部分,悬挑部分采用了“羽毛主径的变截面H型梁,沿梁长方向,梁截面高度、宽度均呈线性变化,翼缘厚度根据应力大小分段变化,钢梁腹板开圆孔,孔径为梁截面高度的2/3,沿梁长方向分步,中心距离为2倍孔径。钢梁材质为Q345B,截面尺寸为H850x 3501220,-,300x 250x 1218,H600x 30010x 14-,300x 250x 1012。 膜结构一:上海世博会世博轴1 工程概况2010年上海世博会世博轴及地下综合体工程,位于世博会浦东园区核心, 南北长1045m, 东西宽地下 995 1105m,地上80m。世博轴顶棚包括两个不同类型的结构体系: 索膜结构和6个建筑造型独特的钢结构!阳光谷, 6个阳光谷共提供给膜结构18个支撑点, 将两者结合成整个顶棚结构(图1、2。索膜顶棚覆盖了105m 标高平台层的大部分空间, 起到遮阳挡雨的功能, 满足大量人流安全、舒适地从地上出入园、等候、安检、票检、休憩餐饮的需要。膜面结构造型轻盈优雅, 与通透挺拔的阳光谷浑然天成。图2索膜结构模型图3顶棚平面图图 4建筑纵剖面图顶棚结构平面图、剖面图见图3 5。2结构体系索膜顶棚采用连续的张拉式索膜结构体系, 总长度约840m, 最大跨度约97m, 膜面总投影面积约61000m2, 展开总面积约65000m2, 单块膜最大展开面积约1800m2, 膜面单元一般呈三角形。膜材采用A级PTFE膜。 索膜结构边索单跨最大约80m, 脊索最大跨度约115m, 为大跨度柔性结构。膜顶主要由承重作用的脊索、边索和稳定作用的张拉膜构成(图6, 1根边索、2根脊索和膜形成了三角形为顶面的倒锥台状,膜面为双向曲面, 膜焊 缝主要沿经向放射形布置。整个膜顶支承于外桅杆、内桅杆及阳光谷钢结构上。索膜结构的最高点由26组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成, 最低点由19组内桅杆下拉点、5组外桅杆和背索、部分阳光谷的连接点构成。外桅杆一般高度为35m, 紧邻中间4个阳光谷均有1根较低的外桅杆(高度为17m , 阳光谷SV5、SV6之间外桅杆高度为38m。下拉点处, 膜在18m 或21m 标高处