大跨度空间结构设计

《大跨度空间结构设计》电子课件制作人：孙建琴-兰州交通大学李方慧—黑龙江大学2009.4月第1章绪论一、空间结构的概念凡是建筑结构的形体成三维空间性状，在荷载作用下具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构称为空间结构。日常生活中空间结构的例子，如草帽、折扇、簸箕、笸箩等。观察自然界我们会发现许多空间结构，如蛋壳、乌龟壳、蚌壳、花生壳各种植物种子的外壳等，适合于各自的大自然环境，是一种受力性能很好的空间结构(薄壳结构)；蜂窝也是空间结构(空间网格结构)；蜘蛛网属于索网结构；肥皂泡是典型的空间结构(充气薄膜结构)。第1章绪论图平板网架屋盖图空间网壳圆屋顶（a）网架结构（b）网壳结构图1.2空间结构高次超静定，三向受力，非线性，大变形。平面结构：梁、屋架、框架、刚架、拱；单向受力，计算理论成熟；第1章绪论第1章绪论二、大跨度空间结构的特点（1）自重轻，经济性好。目前大部分空间结构都采用钢材、膜材等制作，轻质高强材料的运用使结构自重大大减轻。（2）刚度好，抗震性能好。由于空间结构具有三维受力特性，内力均匀，对集中荷载的分散性较强，所以能很好的承受不对称荷载或较大的集中荷载，整体刚度大。（3）便于工业化生产。空间结构的构件通常在工厂中制作，在工地上可以很快地安装起来。（4）形式多样化，造型美观。空间结构的形式丰富多彩，千变万化，个性鲜明，为建筑师的自由建筑创作提供了广阔的想象空间。——目前大跨度结构的建造和所采用的技术已成为衡量一个国家建筑水平的重要标志，许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。成为标志性建筑；（5）建筑、结构和使用功能的统一。第1章绪论三、空间结构的分类（1）刚性空间结构刚性空间结构体系是指刚性构件构成的具有很好刚度的空间结构体系。包括薄壳结构、空间网格结构以及立体桁架结构。•钢筋混凝土薄壳在施工中耗用模板及脚手架较多，所需劳动量较大，费用高，高空浇筑或吊装费工费时。因此，薄壳结构的应用近年来有所减少。•空间网格结构根据外形分为两大类，一类称为网架，其外形呈平板状（图1.2a）；另一类称为网壳，其外形呈曲面状（图1.2b）。•立体桁架结构是以钢管通过焊接有机连接而成的一种空间结构（图1.3）。立体桁架结构是在网架、网壳结构的基础上发展起来的，与网架、网壳结构相比具有独特的优越性和实用性。该结构省去一些纵向弦杆和球节点，并具有简明的结构传力方式，可满足各种不同的建筑形式的要求，尤其是构筑圆拱和任意曲线形状更有优势。1、按空间结构的受力特点来划分（a）南京会展中心（b）沈阳奥体中心图1.3立体桁架结构（2）柔性空间结构柔性空间结构体系是指由柔性构件构成，如钢索、薄膜等，通过施加预应力而形成的具有一定刚度的空间结构体系。结构的形体由体系内部的预应力来决定。包括悬索结构、膜结构和张拉整体结构等。（3）杂交结构体系将几种不同类型的结构体系组合成为一种新的结构体系。杂交体系按照其组合方式的不同可分为以下三类：•第一类为刚性结构体系之间的组合，如组合网架、组合网壳、拱支网壳等；•第二类为柔性结构体系与刚性结构体系的组合，属于半刚性结构，这种又可分为斜拉结构、拉索预应力结构、张弦结构、支承膜结构等。•第三类为柔性体系之间的组合，如柔性拉索与索网的杂交，柔性拉索与膜材之间的组合形成的索-膜结构。第1章绪论杂交结构悬索、索膜、张拉受拉为主，高强材料几何非线性结构第1章绪论混合体系：受压刚性，受拉柔性；张弦桁架，预应力索拱。第1章绪论第1章绪论2、按单元划分将组成空间结构的基本单元归纳为五种，即板壳单元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元。一种单元或多种单元集合便构成各种各样具体形式的空间结构，见图表1。如网壳结构中，单层网壳由梁单元组成，而双层网壳由杆单元组成，这样单双层网壳分属于两种不同的结构。另外，这种划分对尚未出现的新结构形式留有较大空间。表1.1空间结构分类单元形式结构形式I板壳单元薄壳结构折板结构波纹拱结构I带肋薄壳带肋折板I+II悬挂薄壳I+IVII梁单元单层网壳空腹网架空腹网壳树状结构II组合网壳空腹夹层板II+I局部双层网壳II+III张弦梁结构拱支网壳II+III+IVIII杆单元网架结构双层网壳立体桁架III张弦立体桁架斜拉网架（壳）拉索预应力网架（壳）III+IV组合网架III+I+IIIV索单元悬索结构索网结构IV拉索网架索桁结构悬索-桁架结构张拉整体结构IV+III索穹顶结构IV+III+VV膜单元气承式膜结构气肋式膜结构V骨架支承膜结构V+II(或III)张拉膜结构V+III+IV表1空间结构分类圣彼得大教堂罗马万神庙古代空间结构四、大跨度空间结构的发展悉尼歌剧院北京火车站屋面采用钢筋混凝土薄壳结构当代空间结构的发展首都体育馆，矩形平板网架,1967，122×99×6m，平行弦桁架，用钢量65kg/m2；第1章绪论1973，圆形平面，110m×6m，平行弦桁架，用钢量47kg/m2，这样万人级的体育馆仍是大跨度网架结构中的佼佼者。第1章绪论上海体育馆153+153m×90m，采用三层斜放四角锥网架，焊接球节点平板网架，其跨度规模之大，在国际上是数一数二的，这是我国在钢结构方面的又一大殊荣。机场的钢结构屋盖由于建筑上的要求比较高，更是绚丽多彩。首都机场四机位机库1994年建成的，放射状布置的正放四角锥双层球形网壳，直径有108m，网壳厚度为3m；平面为三角形，边长99.7m，屋盖由三片四边形的双曲抛物面双层网壳组成，支承在三叉形格构式刚架和钢筋混凝土边梁上，1989年建成北京石景山体育馆天津市体育馆空腹桁架椭球壳体结构，长轴211.9m，短轴143.2m，高45.2m国家大剧院第1章绪论2008奥运会老山自行车赛馆位于北京石景山区老山街，结构跨度149.536m，矢高14.69m，矢跨比约为1/10．网壳支承于倾斜人字形钢柱及柱顶环形桁架之上，柱顶支承跨度为133.06m．网格尺寸约4m，网壳厚度2.8m，为跨度的1/47.5，屋盖以金属屋面板为主，中部设玻璃采光带．该网壳为目前我国跨度最大的双层球面网壳结构。老山自行车馆采用双层球面网壳结构新奥尔良超级穹D=205m1975建成球面网壳第1章绪论第1章绪论圆形建筑的直径为229.6m，支承在看台框架柱顶的屋盖直径则有187.2m,采用边长约10m的钢管构成的三向网格，每个节点上都有六根杆件相交，采用直径为1.45m的加肋圆环，钢管杆件与圆环焊接,成为能承受轴向力与弯矩的刚性节点日本名古屋单层网壳北京工人体育馆D=94m,1961直径94m的车辐式双曲面双层悬索，主要由双层索、中心钢环（承受拉索作用下产生的环向拉力）和周边的混凝土环梁（承受轴压力）三部分组成。1967年建成的，椭圆平面马鞍形双曲抛物面正交索网结构，长径80m，短径60m。浙江省人民体育馆黑龙江滑冰馆,L=86m双层悬索,1996主体结构采用由中央圆柱面与两端半圆球面组成的双层网壳，其轮廓尺寸为86.2m×191.2m，支承在下部三角形框架上，覆盖了200m速滑跑道。第1章绪论为举办第六届冬运会省滑冰馆建筑面积为8622平方米，拥有观众坐席2600个，是可供冰球、花样滑冰、短道速度滑冰训练和比赛的国际性标准场地。2007亚冬会冰球比赛将在吉林省滑冰馆举行。场内设有运动员、裁判员休息室、官员室、仲裁室、医疗急救室、兴奋剂检测室。音响、灯光、电子计时系统采用世界先进设备。吉林省滑冰馆双层悬索,59m×77m，1986浦东国际机场：张弦桁架结构第1章绪论世界上第一座现代悬索结构是1953年建成体育馆屋盖，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的马鞍形正交索网，其平面尺寸92m×97m。该索网被公认为第一个具有现代意义的大跨度索网屋盖结构。北卡罗来纳州雷里（Releigh）为1988年第十五届冬季奥运会修建于，容纳观众19300席。屋盖平面形状为与圆很接近的椭圆形，长轴135.3m，短轴129.4m。采用单层双曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径135m，边缘构件采用弧形混凝土结构形成巨大的环梁。加拿大卡尔加里滑冰馆1983年建成第1章绪论日本东京代代木体育馆鞍形索网悬挂在两个塔柱上的两条中央悬索及分列两侧的两片鞍形索网是屋盖结构的主要组成部分。高耸的塔柱、下垂的主悬索和流畅的两片鞍形曲面组成了雄伟别致的建筑物第1章绪论造型独特新颖，象一只待飞的飞行器。体育场看台主体结构采用钢筋混凝土斜向框架。看台上空设一大型轻质罩蓬，采用膜结构设计。其外缘水平投影呈近似椭圆形，轮廓尺寸236m×209m，内环尺寸205m×143m，罩蓬覆盖面积约25000m2。罩蓬由44座伞型膜结构单元连接而成，各伞形膜结构单元由膜、桅杆、前脊索、后脊索及谷索组成。膜面采用聚氯乙烯涂层的聚酯纤维膜材，外加PVDF面层，其特点为白色、自重轻、经济性好、自洁性好、耐久性好、有一定透明度。1997建成的威海体育中心1997年建成的马鞍形看台挑蓬，采用悬挑钢桁架覆以伞形膜材,马鞍形屋盖平面投影尺寸为288.4m×274.4m。由64榀径向悬挑桁架和环向次桁架组成的空间结构作为骨架，最大悬挑长度73.5m。屋面共有57个由8根拉索和一根立柱覆以膜材组成的伞状单体，膜的覆盖面积2.89万平方米，是中国的第一个大跨度膜结构,虽然其技术与材料主要还依靠国外,但对中国膜结构的发展必然将起重大推动作用。上海八万人体育场佛山世纪莲新颖轻巧的张拉膜结构形式象一朵盛开的莲花，是佛山市的标志性建筑。青岛颐中体育场我国第一个自行设计和安装、采用整体张拉式索膜结构体育场工程。美国馆富士馆以16个轮胎状的半圆形筒体组成50m直径的圆顶，每个筒体直径为4m，长78m，这一布置使房屋两个顶端向前突出7m，管子上每隔4m有一根50cm宽的水平带把它们环箍在一起。中间的拱是半圆形的，其他各拱的矢高随着拱脚愈来愈近而愈来愈高。两端各有宽10m的开口作为出入口。世界上第一个大跨度的气承式膜结构。“鸟巢”我国为2008年奥运会修建的国家体育场游泳中心，是国内首次采用膜结构建设的国际上面积最大、功能要求最复杂、技术难度最大的膜结构体系。采用乙烯—四氟乙烯共聚物（ETFE）的膜材，该材料具有质量轻、韧性好、耐候性好、透光性好特点，每天平均有近10个小时的自然光照明，可大大节省能源。游泳中心——水立方1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆——佐治亚穹顶，椭圆形索膜结构（235m186m）张拉索膜第1章绪论1999年建成，张拉索膜结构，穹顶周长1km，直径365m，中心高度50m，它由超过70km的钢索悬吊在12根100m高的钢桅杆上，是当今世界上跨度最大的屋盖结构。第1章绪论格林威治千禧顶柏林机库：363m长，225m跨,107m高，2000，钢拱架，膜屋面第1章绪论L=205m1989抛物线网壳，可开启第1章绪论多伦多天空穹顶①仓储（72m刚架）、煤棚、机库；②工业厂房：190×420m网架；③体育场馆、娱乐中心；④展览，会议厅，影剧院；⑤车站、航空港；⑥超市、商场。大跨建设高潮：机场、会展中心、体育馆奥运场馆、世博馆第1章绪论五、大跨度房屋结构应用(1)社会需求：巨型场所，人工环境，然境观保护；(2)高强轻质材料：复合材料，碳纤维，有机材料，非金属；(3)新结构形态：杂交结构，可开闭结构,多种体系混合；建筑结构“另类”化，“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，风振，颤振；六、大跨结构的发展（5）设计①分析计算工作量大：结构大，节点和杆件多；②高次超静定，整体稳定和几何非线性分析复杂；第1章绪论③构造复杂：考虑制造、运输、拼装、安装等因素；④高新技术：新材料、新安装工艺、机械和测控技术。第1章绪论（6）施工①制造：尺寸准确，控制积累误差，试拼装，降低残余应力和初始应力；②运输：交通工具，限制尺寸，保证侧向刚度；③安装：拼装次序合理，吊装验算，防止倾覆。第1章绪论（7）分析和设计考虑的关键结构技术问题①材料强度充分发挥作用；②基础反力（推力小）；③安装过程简单；④结构艺术性强。第1章绪论典型结构的设计特点—网架，网