大跨空间结构认知总结

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钢结构参观认知

课程名称：钢结构-房屋建筑钢结构设计

题目：大跨空间结构认知

院（系）：西建大华清学院

专业班级：土木1306班

姓名：张茂晨

学号： 41号

2016年5月7日

大跨空间结构认知

2016年4月29日早上10点30分，在钢结构老师的带领下参观了大跨空间结构体系中的网架结构模型，首先说说大框结构概念，国际壳体结构与空间结构协会的创始人,已故著名薄壳结构专家托罗哈有一句名言：“最佳结构有赖于其自身受力之形体，而非材料制潜在强度”。所谓空间结构是指：具有不易分解为平面结构体系的三维形体，具有三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构。刚架结构和排架结构（单层工业厂房），钢筋混凝土框架结构，桁架结构，拱结构都是平面结构，网架结构是典型的三维受力体系结构。

大跨结构空间结构发展历程，在无力学与结构理论情况，凭借经验与大胆的探索，古罗马最著名的穹顶是万神殿，也是建筑史

上最早，最大跨度的拱结构，万神殿的底

平面直径也为43.4米，与高度相等。万神

殿下半部为空心圆柱形，从高度一半的地

方开始，上半部为半球形的穹顶，穹顶的

墙面厚度逐渐减小，其下方墙厚6米，与

万神殿下半部墙壁等厚，到顶部则递减为

1.5米。为使穹顶墙厚的递减更有利于万

神殿整体建筑的稳固，万神殿穹顶内壁被

整齐划分为5排28格，每一格皆被由上而下雕凿凹陷，不仅使墙厚的递减更为合理，也增加了万神殿内部的美观性。还有公元前537年东罗马帝国的圣索菲亚教堂（砌体结构），中央大厅32.6m×68.6m，由一个整园穹拱和两个半圆穹顶覆盖，穹窿之下，柱拱之间，推力逐步传给更小的半圆穹顶。随着19世纪工业革命的发展，材料的进步，生铁出现，当时铁价比木材低廉，采用铁方便灵活又具有截面小等特点，在欧洲兴盛起来，1851年伦敦海德公园举行首届国际博览会的展览馆水晶宫，用的是钢材和玻璃建造的第一栋房屋，中央大厅采用了筒拱顶，支撑在空心铸铁柱上。随着钢结构快速的发展，钢筋混凝土结构也开始成熟起来，1886年英国阿士普丁发明混凝土。1886年德国冠农通过圆拱和平板荷载试验确定了钢筋受拉，混凝土受压的理论。1892年法国亨奈比克用钢筋植入混凝土中，渐渐的运用在房屋建筑中。空间结构理论研究也在同步发展，1826～1831年法国人首创薄壳理论及周边支撑筒壳近似分析法，1892年的径向剪力与弯矩理论为以后壳体结构发展打下基础。1924年天象仪概念创始人鲍尔斯费尔德教授非结构专业，用纯数学计算出自己提出的用15m直径的半圆形网壳结构的每根杆的位置和长度，建成了公认的真正意义上的空间结构的德国耶拿市蔡斯工厂的天文馆。该结构以网壳与薄壳的组合结构。其表面用钢丝覆盖后喷浆，钢的求网壳在施工中当了模架，水泥硬化后成为球壳的配筋。1925年第一个真正薄壳诞生于德国耶拿Schiff玻璃工厂厂房的旋转对称的球壳屋顶。

分类： 实体结构薄壳结构主要形式：圆柱面壳，圆球壳，双曲扁壳，双曲抛物面扭壳，与传统平面结构相比，薄壳结构造型优美，传力路线直接，受力性能好，既是承重结构又是围屋结构材料节约。案列罗马小体育馆，美国西雅图金郡体育馆，北京网球馆;折板结构主要形式：V,II,Z形，折线形横截面，大大增加了空间刚度，能做梁受弯，拱受压，便于制作。案列美国伊利诺大学会堂，武钢外国专家招待所文娱室。

网格结构杆件空间会交于节点，形成一个高次超静定结构。平板网架：外观为平板，多向传力，空间刚度大，整体性好，有良好的抗震性能，及适用大跨度建筑，也适用中小跨度房屋，能覆盖各种形状的平面；网壳：外观为曲面状，有单层和双层两类，主要承受压力，稳定问题比较突出，跨度较大时，不能充分发挥材料强度，杆件和节点的几何偏差，曲面偏离等初始缺陷对网壳内力和整体稳定影响较大。

网架结构分类

平面桁架系网架：两向正交正方，两向正交斜放，两向斜交斜放，三向，单向折线形

四角锥体系网架：正方四角锥，正方抽空四角锥，斜放四角锥，棋盘形四角锥，星型四角锥

三角锥体系网架：三角锥，抽空三角锥，蜂窝形三角锥

斜放四角锥网架：组成单元倒放四角锥，于正放四角锥不同之处在于四角锥底边的角于角相连。上弦网架呈正交斜放，下弦网格则与建筑轴线平行或垂直呈正交正放；上弦杆短承受压力而下弦杆长承受拉力，受力合理，充分发挥截面作用，耗钢量较省。

两向正交正方网架：组成单元两个方向的平面桁架互相垂直交叉而成，两个桁架节间宜布置成偶数，奇数时中间做交叉腹杆，周边上弦网格中设置附加斜撑，传递水平力，当支撑点在下弦节点时，下弦杆也设置。

棋盘四角锥网架：组成单

元倒放四角锥，与斜放四

角锥（水平转动45°）基

本相同，下弦正交正方，

上弦正交斜放，也具有上

弦短下弦长特点，周边布

置成满锥的情况下刚度

较好，具有斜放四角锥的

全部优点，屋面构造简

单。

蜂窝型网架：组成单元倒

放三角锥，各倒置三角锥

底面的角于角相连，因其

上弦是有规律的三角形

与六边形，其图形与蜜蜂

巢相似，故为蜂窝形三角锥，下弦网架呈单一的六边形。下弦杆与斜腹杆位于同一垂直平面内，每个节点有六个杆件会交，上弦短，下弦长受力比较合理，在各类网架中它的杆件数和节点数都比较少，轻型屋盖中小跨采用，有较好经济效果。

星型四角锥网架：组成单

元两个倒放的三角形小桁

架正交形成，在交点处有

一根共用的竖杆，形状像

个星体。将单元体的上弦

连接起来即形成网架上

弦，将各星体顶点相连为

网架下弦。上弦正交斜放，

斜腹杆均与上弦位于同一

垂直平面内。上弦短下弦

长受力合理。竖杆受压内

力等于上弦节点荷载，刚

度稍差，不如正方四角锥，

用于中小跨度周边支撑屋

盖

两向正交斜放网架：组成单元两个方向的平面桁架互相垂直交叉而成，正交正方转动45°，每向桁架与建筑轴线交角不再正交成45°。两个方向平面桁架跨度有长有短，节点数有多又少，但网架是等高的，因此各榀桁架刚度各异，能形成良好空间受力体系。

网壳结构：按层数分为单层（肋环型球面由径肋和环杆组成，网格呈梯形，每个节点只会交四根杆件，节点构造简单，整体刚的差，适用中小跨度；肋环斜杆型球面由肋环型基础上加斜杆组成也成施威得勒型，大大提高了网壳的刚度，提高了抵抗非对称荷载的能力，又根据斜杆分为单斜杆，交叉斜杆，无环杆的交叉斜杆等，网格呈三角形，刚度好，适用大中跨度；三向网格型球面水平投影呈正三角形，通过圆心作夹角±60°的三个轴，将轴等分n份并连线，形成正三角形网格，受力性能好，外形美观，适用于中小型跨度；葵花型三向网格球面由人字形斜杆组成菱形网格，两斜杆夹角在30°～50°造型美观也称联方型，为增强网架刚度和稳定性，在环向加设杆件，使网架成为三角形，适用于大中跨度；扇形三向网格型球面由n根径肋把球面分为n个对称扇形曲面，每个扇形曲面内再由环杆和斜杆组成大小均称的三角形网格，也成凯威特型或根据肋数简称Kn型，这种结构综合旋转式划分法与均分三角形划分法的优点，因此不但网格大小均称，内力分布均匀，适用于大中跨度；短程线球面用过球心的平面截球，在球面上所得截线称为大圆，在大圆上两点连线为球面上两点的最短距离，称短程线。用球的内接正20面体在球面上划分网格，把球面先划分为2 0个等边球面三角形。在实际工程中，等边球面三角形的边长太大，形成的杆件太长，需要再划分，至所有杆件长度在制作、安装较为方便并能满足受力要求，这就形成了短程线球面网壳。）和双层（交叉桁架体系单层球面六种都适用交叉桁架体系，只要将单层网壳中的每个杆件用平面网片代替，网片竖杆共用，方向通过球心即可形成双层球面网壳；角锥体系由四角锥和三角锥组成双层球主要有肋环形四角锥球面，联方形四角锥球面，联方形三角锥球面，平板组合式球面）；按高斯曲率分类零高斯曲率分【柱面（单层主要形式单斜杆正交正方型柱面沿曲线划分等弧长，通过曲线等分点作平行纵向直线，再将直线等分，作平行于曲线的横线形成方格每个方格加斜杆；交叉斜杆正交正方型柱面方格内设交叉斜杆，提高刚度；联方网格型柱面杆件组成菱形网格，杆件夹角为30°～50°之间；三向网格型柱面可理解为联方形网格上加纵向杆件使菱形变为三角形。双层由交叉桁架体系和四角锥体系

组成主要形式交叉桁架体系单层柱面都可成为交叉桁架体系双层柱面网壳每个网片形式为矩形被一条对角线分割；四角锥体系在网架体系中共六种正方四角锥柱面，杆件品种少，节点构造简单刚度大，抽空正方四角锥柱面，在正放基础上抽出一些四角锥单元中的腹杆和下层杆，适用于小跨度，轻屋面荷载，网格应为基数；斜置正放四角锥柱面；三角锥体系三角锥柱面和抽空三角锥柱面），圆锥形，正高斯曲率（球面，双曲扁，椭圆抛物面），负高斯曲率（双曲抛物面（网壳沿直纹两个方向设置直线杆件，主要形式有正交正方类组成网格为正方形，采用单层形式时在方格内设斜杆，采用双层时组成四角锥体；正交斜放类杆件沿曲面最大曲率方向设置，抗剪刚度较差可在第三方向全部或局部设杆件来提高抗剪刚度），单块扭】；按曲面外形分类球面分，双曲扁，柱面，单块扭，双曲抛物面，切割或组合形成曲面。

常用节点形式：焊接或螺接钢板节点，焊接空心球节点，螺栓球节点，相贯节点，铸钢节点，我国自行设计制造开发嵌入式毂节点。

焊接螺栓球

焊接或螺接钢板节点相贯节点

铸钢节点嵌入式毂节点

张力结构-对柔性的索或膜施加预张力以后形成的结构体系，具有非线性特征，主要受力构件是单向受拉的索或双向受拉的膜。

钢索一维线性材料，膜材二维面材料。

悬索结构是以一系列受拉索作为主要受拉构件，并将其按一定规律排列组成各种形式的体系后，悬挂在相应的支撑结构上。悬索是一种可变体系，其平衡形状随荷载分布方式而变；抗风能力差。按组成方法和受力特点分为：单层悬索体系（由一系列按一定规律布置的单根悬索组成，悬索两端锚挂在稳定支撑结构上，分为平行布置，辐射式布置，网状布置三种形式。通常采用重屋面,预应力混凝土悬挂薄壳，横向加劲构件来保持形状稳定性），预应力双层悬索体系（由一系列下凹的承重索和下凸的稳定索以及它们之间的连系杆拉杆和压杆组成。三者布置在同一平面内类似承受横向荷载的桁架也称索桁架；上下索也可是相互交叉，较小屋盖结构所占空间。双层索体系中稳定索不仅可以抵抗风吸力，而且设了相反曲率的稳定索及相应联系杆，可以对体系施加预应力。通过张拉承重索，张拉稳定索或者都进行张拉可以保证索的形状稳定性。由于预应力，稳定承重索一起可以抵抗竖向荷载作用，提高了体系刚度。布置形式也分为平行布置，辐射式布置，网状布置），预应力鞍形索网（由相互正交，曲率相反的两组钢索直接叠交，而形成的一种负高斯曲率的曲面悬索结构，两组索中，下凹的承重索在下，上凸的稳定索在上，两组索在交点处相互连接在一起，索网周边悬挂在强大的边缘构件上。鞍形索网和双层索系基本工作原理完全相同；区别在于双层索属于平面结构体系，鞍形属于空间结构体系），劲性悬索（由于柔性悬索不能抗弯抗压，而劲性索结构是可以具有一定抗弯抗压刚度的曲线形实腹或格构式构件来代替索的悬挂结构），预应力横向加劲单层索网，预应力索拱体系（在双层索或鞍形索中，以实腹式或格构式劲性构件代替上凹稳定索，通过张拉承重索或对拱地两

端下压产生强迫位移，使索与拱相互压紧便形成预应力索拱结构），组合悬索结构（是将以上两种或两种以上体系和强大的中间支撑结构组合在一起），悬挂薄壳以及混合悬挂结构等形式。

薄膜结构主要为充气式（膜内外空气压力差为薄膜施加预应力，使膜面能覆盖所形成的空间结构）和张拉式（通过给膜材料直接施加预应力使具有刚度并承担荷载结构）。

西安建筑科技大学华清学院

土木工程1306班

张茂晨

41号

2016.5.7