大跨度空间结构设计

1、大跨度空间结构设计电子课件制作人：孙建琴-兰州交通大学李芳辉-黑龙江大学2009.4月，第一章介绍了空间结构的概念，所有建筑结构的三维空间特性，载荷下的三维力特性，具有三维工作状态的结构称为空间结构。草帽、折叠式、簸箕、小仓等日常生活中空间结构的例子。观察自然，可以发现很多空间结构，如蛋壳、龟壳、蚌埠、花生壳、各种植物种子的壳等，适合各自的自然环境，有力的性能好的空间结构(壳结构)。蜂窝也是空间结构(空间网格结构)。蜘蛛网属于有线网络结构。肥皂泡是典型的空间结构(充气薄膜结构)。第一章介绍，(a)网架结构(b)网壳结构图1.2空间结构，高维静态，三向应力，非线性，大变形。平面结构：梁、屋顶桁架

2、、框架、刚架、拱；单向力，计算理论成熟；第一章引言，第一章引言，第二，长距离空间结构的特点，(1)自重、轻便、经济。目前，大部分空间结构是用钢、膜材等制成的，使用轻、高强度材料，大大减轻了结构的自重。(2)刚度好，抗震性能好。空间结构具有三维力特性、均匀内力、集中载荷的分散性强，可以很好地承受不对称载荷或大集中载荷，整体刚度大。(3)促进产业化生产。空间结构的构件通常在工厂制造，可以快速安装在工地上。(4)形态多样，形状美丽。空间结构形式丰富多彩，个性鲜明，为建筑师自由的建筑创作提供了巨大的想象空间。目前，远距离结构的建筑和采用的技术成为衡量一个国家建筑水平的重要标志，许多宏伟而有特色的远距离

3、建筑成为该地区象征性的标志，也成为著名人文学科的景观。成为象征性建筑。(5)建筑、结构和使用功能的统一。第一章介绍，第三，空间结构的分类，(1)刚性空间结构的刚性空间结构系统是指由刚性构件组成的非常强大的空间结构系统。包括壳体结构、空间网格结构和三维桁架结构。钢筋混凝土壳体施工中模板和脚手架多，劳动力高，费用高，高空浇筑或吊装费用高。因此，壳体结构的应用近年来减少了。空间网格结构根据迹线分为两个品类：一个称为网格，其形式为平面(图1.2a)。另一个称为reticulated shell的类别是表面外观(图1.2b)。三维桁架结构是通过焊接有机连接由钢管组成的一种空间结构(图1.3)。三维桁架结

4、构是在网格、网壳结构的基础上开发的，与网格、网壳结构相比，具有独特的优越性和实用性。该结构没有垂直弦和球节点，有满足各种建筑形式要求的简洁结构力方法。特别是，最好创建圆形拱门和随机曲线造型。1、根据空间结构的力特性进行划分，(a)南京会展中心，(b)沈阳奥林匹克体育中心，图1.3 3三维桁架结构，(2)灵活空间结构灵活空间结构系统由电缆、薄膜等灵活组件组成，表示通过应用预应力形成的具有一定刚度的空间结构系统。结构的形式由系统内部的预应力决定。包括悬架结构、膜结构和张力整体结构。(3)混合结构系统将几种不同类型的结构体系组合成新的结构体系。混合系统可以根据其组合方式分为以下三类：第一类是刚性结构

5、系统(例如复合网格、复合网壳、拱网壳等)之间的组合。第二类是半刚性结构的灵活结构和刚性结构的组合，可分为倾斜结构、电缆预应力结构、弦结构、支撑膜结构等。第三类是灵活系统之间的组合，如柔性电缆和电缆的混合，柔性电缆和薄膜的组合形成的电缆-膜结构。第一章介绍，混合结构悬挂，电缆膜，张力池基础，高强度材料几何非线性结构，第一章介绍，混合系统：压缩刚度，拉伸灵活性；桁架，预应力索拱。第一章介绍，第一章介绍，第二章，按单元划分构成空间结构的基本单元归纳为五种：板壳单元、梁单元、杆单元、电缆单元、膜单元。一个或多个单元格的集合构成了图1所示的各种形式的空间结构。对于芒目结构，单层芒目由梁单位组成，双层芒目

6、由棒单位组成，因此单层芒目分为两个不同的结构。另外，这种划分对尚未出现的新结构形态留下了很大的空间。表1.1空间结构分类，表1空间结构分类，圣彼得大教堂罗马万神殿，古代空间结构，4，远程空间结构开发，悉尼歌剧院，北京火车站屋顶为钢筋混凝土壳体结构，现代空间结构开发，首都体育馆，矩形平面网格，1967，122996m，包括第一章简介，1973，圆形平面，110m6m米，平行线桁架，钢路47公斤/m2，万人级体育馆仍是大跨度网架结构的领导者。第一章介绍，上海体育馆，153 153m90m，3层斜方形圆锥网架，焊接球节点平面网架，其跨度规模大，是我国在世界上最大、钢结构领域的另一大荣幸。机场的钢结构

7、屋顶因建筑要求高而更加华丽多彩。首都机场四个机库，建于1994年，径向布局四角双层球面网壳，直径108米，网壳厚度3米；三角形，侧面长度为99.7米，由正方形3个双曲抛物线双层网木组成的房屋，三角框架和钢筋混凝土梯边梁支撑，1989年建设，北京石景山体育馆，天津体育馆，空腹桁架椭球壳结构，长轴211.9米，短轴143.2米，高45.5网壳支撑倾斜的铁头和主塔环桁架，柱顶约133.06米。网格大小约4米，网目厚度2.8米，跨度1/47.5，屋顶以金属屋面板为基础，中央安装了玻璃照明带。这种芒目是我国目前最大的双层球形芒目结构。新奥尔良超级圆顶D=205m米1975球形网壳，第一章介绍，第一章介绍

8、，圆形建筑直径229.6米，支撑在支架框架柱顶的屋顶直径187.2米，侧面长度约10米的钢管组成的三向网格各有6个构件交叉，使用直径1.45米的肋骨，通过钢管构件和圆环焊接，轴向力和弯矩中心钢圈(电缆作用下的圆周张力)和周围混凝土环梁(能承受轴向压力)。 1967年完成的。椭圆形平面鞍形双曲抛物面正交索网结构，长径80m，短径60m。浙江人民体育馆，黑龙江滑冰博物馆，L=86m双层悬索桥，1996，本结构由中央圆柱面和两侧半圆球体组成的双层网目网目，轮廓大小86.2m191.2m，下方三角形框架支撑，复盖200m速度滑冰跑道。第一章引言，为举办第6届冬季奥运会，有地方滑冰馆建筑面积8622平方

9、米，观众席2600个，是冰球、花样滑冰、短道速滑训练和比赛的国际标准场所。2007年亚运会冰球比赛将在吉林省滑冰馆举行。赛场上设有选手、裁判休息室、管理室、仲裁室、医疗急诊室、兴奋剂检查室。音频、照明、电子计时系统使用世界先进设备。，吉林省滑冰博物馆双悬挂，59m77m，1986，浦东国际机场：弦桁架结构，第一章介绍，世界上第一个现代悬索桥结构是1953年作为体育馆屋顶建成的，采用两个斜抛物线形拱作为边缘构件的鞍形直斜线，平面大小为92m97m。据悉，该电缆是具有现代意义的第一个长距离电缆屋顶结构。为了容纳19300名参观者的座位，为1988年第15届冬季奥运会而建造的北卡罗来纳瑞利。屋顶平面

10、是非常接近圆形的椭圆形、长轴135.3m、短轴129.4m。圆形平面直径135米的单双曲抛物面索屋顶，边缘构件使用弧形混凝土结构形成巨大的环形梁。加拿大卡尔加里滑冰博物馆1983年完工，第一章介绍，日本东京世代木体育馆鞍形电缆网，挂在两个塔柱上的两个中央悬挂电缆和两个鞍形铁丝网是屋顶结构的主要组成部分。高耸的塔和下垂的主吊索和光滑的两个鞍形表面是宏伟的建筑。第一章引言，独特形状的新奇感就像一架飞翔的飞机。体育场看台的主要结构采用钢筋混凝土斜框架。看台的上空有大型轻便罩，采用膜结构设计。外侧边的水平投影大约是椭圆的，轮廓大小为236m209m，内环大小为205m143m，罩盖大约为25000m2

11、。盖由44个降落伞膜结构单元连接，每个降落伞膜结构单元由膜、桅杆、前脊、后脊和骨线组成。涂层涤纶纤维涂层和PVDF涂层的薄膜具有白色、自重轻、经济性、磁性均匀性、耐用性和一定透明度等特点。1997年建成的威海体育中心，1997年建成的马鞍山形支架挂件为悬臂钢桁架，伞衣，鞍形屋顶平面投影尺寸为288.4m274.4m。由64个半径悬挑桁架和环辅助桁架组成的空间结构是骨骼，最大悬挑长度为73.5m。鲁平是中国第一个长距离膜结构，它的技术和材料主要依靠外国，但对中国膜结构的发展只能起到很大的作用，它有57个伞状单体，用8根拉索和1根柱子涂层，2万8900平方米。上海八万人体育场，佛山世纪莲花新的、轻

12、便的张拉膜结构形式像盛开的莲花，是佛山标志性建筑。青岛益中体育场中国第一个自行设计安装，使用全张力索膜结构体育场项目。美国博物馆、富士博物馆、轮胎形状的16个半圆桶组成的50米直径圆顶，直径各为4米，长度为78米，由于这种排列，房子的两个顶部向前突出7米，棺材上方每4米宽50厘米的水平带用环扎在一起。中间拱呈半圆形，其他拱的高度随着拱脚的靠近而逐渐升高。两端各有10米宽的洞口作为出入口。世界上第一个长距离空气轴承膜结构。“鸟巢”，我国为2008年奥运会建设的国家体育场游泳中心，是国内第一个利用膜结构的国际最大面积、功能要求中最复杂、技术难度最高的膜结构系统。采用乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)

13、的薄膜，具有良好的光、韧性、耐候性和透光性，每天平均可使用近10小时的自然光照明，大幅节省能源。游泳中心水立方，1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主楼佐治亚穹顶，椭圆电缆膜结构(235米)张力电缆膜，第一章介绍，1999年竣工，电缆膜结构，圆顶周长1公里，直径365米，第一章介绍，格林威治千禧顶，柏林机库：363米长，225米跨度，107米高，2000，钢拱，刚顶，第一章介绍，L=205m米1989抛物线形网壳，可打开，工业厂房：190420m网架；体育场、娱乐中心；展览、会议室、剧场；车站、机场；超市，购物中心。远距离建设高潮：机场、会展中心、体育馆奥林匹克体育场、世博会博物馆，第一章介绍

14、，5，远距离住宅结构应用，(1)社会要求：巨大的场所、人工环境、自然环境保护；(2)高强度轻质材料：复合材料、碳纤维、有机材料、非金属；(3)新结构形式：混合结构、开闭结构、多种系统混合；建筑结构“替代”化学、“新建筑结构”、仿生学(4)非线性计算理论：高效算法、非线性、大变形、地震、风疹、颤振；6，大跨度结构的开发，(5)设计分析计算工作量：大结构、节点和构件；高阶静态，整体稳定性和几何非线性分析复杂。第一章介绍，复杂结构：考虑制造、运输、组装、安装等；高新技术：新材料、新安装工艺、机械及测控技术。第一章介绍，(6)施工制造：尺寸精确，控制积累误差，试装配，残余应力和初始应力减少；运输：运输方式、尺寸限制、横向刚度保证；安装：装配顺序合理，为了防止倾覆，抬起检查。第一章介绍，(7)分析设计考虑的主要结构技术问题材料强度充分发挥作用；基本反力(小推力)；简单的安装过程；结构艺术性强。第一章介绍，典型结构的设计特点网架、网壳、悬挂结构、新系统；大跨度结构的基本设计方法；大跨度结构非线性分析-网壳、索膜；大跨度结构的设计、结构和施工安装。第一章介绍，7，本课程的主要内容，1，董锡林，罗耀政，朝阳。新空间结构分析、设计和构造