大跨度钢结构建筑的应用及其主要特点

大跨度房屋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

120m160m(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，宜用平行弦；吊顶可作弧线形(设拉杆)框架结构(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(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(3)格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/201/12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(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(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(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(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(5)拱脚构造处理构造不便空间利用空间结构加强连接平面结结构的纵向构件件以形成一个整整体结构，共同同承载克服荷载层层重重复传递，经济济性好，整体刚刚度大，抗震性性能好薄壳结构,悬索结构，网架架和网壳结构,充气结构薄壳结构薄壳结构基本概概念：壳体厚度远小于于曲面尺寸的物物体。薄壳结构折板结构圆顶壳结构筒壳结构双曲扁壳结构折板结构折板结构巴黎联合国教科科文组织总部会会议大厅球壳罗马万神殿约公元120～124年建于意大利，，直径43.3m，用天然火山灰灰，变壳厚，顶顶厚1.2m。球壳圣索菲亚大教堂堂公元532～537年建于土耳其伊伊斯担布尔，直直径33m，原为拜占庭帝帝国东正教的宫宫庭教堂。北京天文馆1957年9月建成,直径25m，6cm厚，自重200kg/m2。德国耶纳泽司天天文馆建于1922年，直径25m半球形穹顶，砼砼厚6cm，第一个真正意意义薄壳。筒壳锯齿形锥壳双曲扁壳扭壳双曲抛物面扭壳壳结构曲面壳顶的组合合◆组合曲面圆柱面切割组合合组合扭面美国TWA环球航空公司候候机楼美国著名建筑师师沙里宁1961年设计，用4片钢筋砼扁壳组组成，形似一只只正要起飞的大大鸟。美国圣路易斯航航空港候机大厅厅墨西哥城霍奇米米尔科水上公园园餐馆建于1958年，费利克斯·坎德拉设计，八八片莲花形双曲曲抛物面壳。网架与网壳我国网架结构发发展历程1982年修建中的上海海游泳馆1984年建造的广州天天河体育中心体体育馆网架(1)特点多向传力，空空间刚度大，抗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构(2)两向正交斜放两向斜交斜放两向正交斜放短桁架对长桁架架有嵌固作用，，受力有利角部产生拔力，，常取无角部形形式两向斜交斜放适用于两个方向向网格尺寸不同同的情形受力性能欠佳，，节点构造较复复杂网架和网壳结构构(3)三向网架三个方向的平面面桁架相互交角角60比两向网架刚度度大，适合大跨跨度常用于正三角形形，正六三角形形平面在谋些平面形状状会出现不规则则杆件由四角锥体构成(五种)正放四角锥网架架正放抽空四角锥锥网架网架和网壳结构构(4)斜放四角锥网架架棋盘形四角锥网网架星形四角锥网架架斜放四角锥网架架受力合理，杆件件数量少屋面板类型多屋面组织排水较较困难棋盘形四角锥网网架保持正放四角锥锥网架周边四角角锥不变，中间四角角锥间隔抽空，，下弦杆呈正交斜放放，上弦杆呈正正交正放。克服了斜放四角角锥网架屋面板板类型多，屋面组织织排水较困难的的缺点。由三角锥体构成(三种)三角锥网架网架和网壳结构构(5)抽空三角锥网架架蜂窝形三角锥网网架三(多)层网架减少弦杆内力(25%60%)，减小网格尺寸寸，大跨经济性性好；杆件数量量多三层网架示意图网架和网壳结构构(6)网架的点支承点支承的设置原原则通过正弯矩和挠挠度减小，使整整个网架的内力力趋于均匀对于单跨多点支支承，悬挑长度度宜取中间跨的的1/3(下图a)对于多跨多点支支承，悬挑长度度宜取中间跨的的1/4(下图b)点支承的柱帽形形式网架和网壳结构构(7)网架选型周边支支承的的矩形形平面面形状状长短边边之比比1.5时：斜放四四角锥锥网架架，棋棋盘形形四角角锥网网架，，正放抽抽空四四角锥锥网架架对于中(30m60m)小(<30m)跨度，，亦可可选星形四四角锥锥网架架，蜂蜂窝形形三角角锥网网架长短边边之比比>1.5时：宜选正正放类类网架架----两向正正交正正放网架，，正放四角角锥网网架，，正放抽抽空四四角锥锥网架架点支支承的的矩形形平面面形状状两向正正交正正放网架，，正放四角角锥网网架，，正放抽抽空四四角锥锥网架架圆形形，多多边形形平面面形状状宜选三向网网架，，三角角锥网网架，，抽空空三角角锥网网架两边边或三边支承承的矩矩形平平面形形状自由边边作处处理后后可按按周边边支承承情形形考虑虑。自自由边边的两两种处处理方方法：：(a)整个网网架高高度加加大，，自由由边杆杆件截截面增增大(b)自由边边局部部增加加网架架层数数(形成反反梁)自由边边反梁网架(8)网架屋屋面排排水网架起起拱适于双双坡排排水；；抗震震性好好；起起拱高高度过过大，，内力力分析析应计计及网架架变高高度可降低低弦杆杆内力，，使其其趋于于均匀匀；抗抗震性性好；；杆件种种类增增多上弦节点点设置置小立立柱(常用)可构造造双坡坡，四坡或其其它复复杂的的多坡坡排水水屋面面；跨度度大时时要作作稳定定和抗抗震计计算网架几几何尺尺寸注：L2是以米米计的的网架架短向向跨度度；跨跨度小小于18米时网网格数数可适适当减减少。。网壳我国网网壳结结构发发展历历程网壳结结构(1)单层柱柱面网网壳的的网格格形式式a)单单斜杆杆柱面面网壳壳：杆杆件数数量少少，节节点构构造简简单；；刚度度差b)人人字形形柱面面网壳壳：亦亦称弗弗普尔尔形柱柱面网网壳c)双双斜杆杆柱面面网：：壳杆杆件数数量多多；刚刚度好好d)联联方网网格柱柱面网网壳：：杆件件组成成菱形形，夹夹角为为3050e)三三向网网格柱柱面网网壳：：联方方网格格柱面面加纵纵向杆杆件网壳类类别(以曲面面外形形分类类)柱面网网壳网架和和网壳壳结构构(10)a)正放四四角锥锥柱面面网壳壳b)正放抽空四角锥柱柱面网壳c)斜置正放四角锥柱柱面网壳d)三角锥柱面网壳e)抽空三角锥柱面网网壳双层柱面网壳的网网格形式1.交叉桁架体系系(略)2.四角锥体系a)：刚度大，杆件件少，最常用b)：适用于小跨度度，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(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)三向网格型球面网网壳单层球面网壳的网网格形式a):刚度差，适用于中中，小跨度b):刚度好，适用于大大，中跨度c):交叉斜杆Schwedler型还有其它Schwedler型d):菱形网格，造型美美观e):适用于中，小跨度度网架和网壳结构(12)a)肋环型四角锥球面面网壳b)联方型四角锥球面面网壳c)联方型三角锥球面面网壳d)平板组成式球面网网壳双层球面网壳的网网格形式角锥体系(常见四种)a):肋环型四角锥球面面网壳，b):联方型四角锥球面面网壳c):联方型三角锥球面面网壳，d):平板组成式球面网网壳网架和网壳结构(13)a)正交正放类b)正交斜放类c)正交斜放设斜杆类类d)正交斜放设斜杆类类e)正交斜放设斜杆类类双曲面网壳的网格格形式1.正交正放类a):单层时在方格内设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年河南鸭河口电电厂干煤棚2003年国家大剧院实际施工图地面安装提升就位构件补缺悬索结构悬索结构是以只能能受拉的索作为基基本承重构件，并并将索按照一定规规律布置所构成的的一类结构体系，，是杆件截面材料料强度利用效率最最高的结构之一。。结构形式及分类◆单向单层①单层悬索结构悬索屋盖结构通常常由悬索系统，屋屋面系统和支承系系统三部分构成。。单跨双跨悬索结构(1)特点轴向拉伸抵抗外外荷作用，充分利利用钢材强度施工方便，费用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，德国多特蒙特一一展览厅，1956)水平梁和框架一起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(2)幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆圆形平面)下凹双曲率碟形屋屋面不便于排水，最大大的碟形屋面：美国阿拉美达比赛馆，跨径径128m(1967)伞形屋面最大的伞形屋面：：前苏联伊利姆斯克克汽车库，跨径206m受拉内环采用钢制制，受压外环采用用钢筋混凝土制作作。可比平行布置置做到较大跨度。。网状布置形式(适用于圆形，矩形形等各种平面)单层双向设计要点单层悬索体系垂跨跨比经验取值：1/201/10加强形状稳定性的的措施：采用重屋面采用预应力钢筋混混凝土悬挂薄壳采用横向加劲构件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(3)双层悬索结构索垳架一般形式式由下凹的承重索，，上凸的稳定索及及它们之间的连系系杆组成承重索垂跨比一般般取1/201/15，稳定索拱跨比一一般取1/201/25平行布置形式悬索结构(4)幅射式及网状布置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)双层内外环环梁d)单层外环梁梁网状布置置e)双层外环梁梁网状布置置悬索结构(5)鞍形索网布布置形式帐篷式索网网索网结构是是同一曲面面上两组曲曲率相反的的单层悬索索系统相交交而成，凹凹向下为承承重索，凸凸向上的稳稳定索。工程实例美国瑞雷（（Raleigh）竞技馆（（大剧院））1952年建于美国国北卡罗里里那州，平平面91.5m×91.5近似圆形，，两个砼斜斜放抛物线线拱，鞍形形正交预应应力索网，，世界上第第一个现代代悬索屋盖盖。美国华盛顿顿杜勒斯机机场1962沙里宁设计计，两排巨巨型钢筋混混凝土斜柱柱支撑，一一高一低，，其间悬挂挂40余米长的钢钢索，上铺铺屋面板，，在重力的的作用下，，钢丝自然然下垂，形形成充满张张力感的屋屋顶曲线。。车辐式双层层悬索体系系悬索结构(6)一些典型建建筑单层悬索索德国乌柏特特市游泳馆馆德国多特蒙蒙特展览大大厅前苏联克达达斯若牙尔尔斯克车库库日本古川市市民会馆悬索结构(7)双层悬索瑞典斯德哥哥尔摩约翰翰尼绍夫滑滑