大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用及其主要特點

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)應(yīng)用及其主主要特點應(yīng)用公共建筑(劇院，展覽覽館，體育育場館，車車站等)專門用途的的建筑(飛機(jī)庫，汽汽車庫等)生產(chǎn)性建筑筑(飛機(jī)制造廠裝配車間間，造船廠等)主要特點跨度大120m160m(長春體育館館，網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)，1998)主跨1385m(江陰長江大大橋，懸索索結(jié)構(gòu)，1999)個性化(非大量建設(shè)項目，，方案的極極其個性化化)大跨度房屋屋鋼結(jié)構(gòu)的的類型平面結(jié)構(gòu)由一些強(qiáng)度度不大的縱縱向構(gòu)件將將平面結(jié)構(gòu)構(gòu)連接起來來構(gòu)成縱向構(gòu)件層層層重復(fù)傳傳遞荷載，，并不分擔(dān)擔(dān)荷載梁式，框架架式和拱式式結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)加強(qiáng)連接平平面結(jié)構(gòu)的的縱向構(gòu)件件以形成一一個整體結(jié)結(jié)構(gòu)，共同同承載克服荷載層層層重復(fù)傳傳遞，經(jīng)濟(jì)濟(jì)性好，整整體剛度大大，抗震性性能好懸索結(jié)構(gòu)，，網(wǎng)架和網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)梁式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式跨度較小小時，可采采用實腹式式梁(常用工字字形截面)跨度在5070m及更大時，，采用桁架架形式(吊頂與下下弦設(shè)間隙隙)桁架外形及及腹桿體系系取決于跨跨度，屋面面形式和吊吊頂結(jié)構(gòu)桁架高跨比比一般為1/81/6(注：跨度大于50m時，運輸超超限)常用梯形桁桁架；屋面面坡度大時時，宜用平平行弦；吊吊頂可作弧弧線形(設(shè)設(shè)拉桿)框架結(jié)構(gòu)(1)特點與梁式相相比，框架架結(jié)構(gòu)可降降低建筑物物高度結(jié)構(gòu)上比比梁式結(jié)構(gòu)構(gòu)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)型式跨度在5060m時，常用雙雙鉸實腹式式框架(常用工字形形截面)減輕基礎(chǔ)負(fù)負(fù)擔(dān)；結(jié)構(gòu)構(gòu)可外露；；橫梁高度度可取跨度度的1/201/12設(shè)置預(yù)應(yīng)應(yīng)力拉桿桿減少跨跨中彎矩矩，橫梁梁高度可可取跨度度的1/401/30框架結(jié)構(gòu)構(gòu)(2)跨度較大大時，常常用雙鉸鉸格構(gòu)式式框架跨度超過過100m時，宜采采用無鉸鉸格構(gòu)式式框架框架結(jié)構(gòu)構(gòu)(3)格構(gòu)式框框架的橫橫梁高跨跨比宜在在跨度的的1/201/12范圍選取取格構(gòu)式框框架立柱柱的寬宜宜取其橫梁的節(jié)節(jié)間長度度(卸載效應(yīng)應(yīng))折線弓形形框架接接近于拱拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)的力學(xué)學(xué)性能常用于高高度相對對較大(跨度約4050m，高度約1520m)的建筑物物橫梁高度度和立柱柱寬度皆皆在跨度度的1/251/15范圍選取取拱式結(jié)構(gòu)構(gòu)(1)特點拱式屋屋蓋受力力合理比梁式式和框架架式屋蓋蓋結(jié)構(gòu)經(jīng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)標(biāo)好(跨度超超過80m時尤為顯顯著)結(jié)構(gòu)布置置跨度為為4060m時，拱間距可可取610m，無檁或型型鋼檁條條拱式結(jié)構(gòu)構(gòu)(2)跨度達(dá)100m左右時，，宜采用用相距36m的拱對，，拱對間間距為915m拱式結(jié)構(gòu)構(gòu)(3)側(cè)窗難以以開啟，，且宜積積灰；檁檁條下移移，構(gòu)成成橫向天天窗拱式結(jié)構(gòu)構(gòu)(4)結(jié)構(gòu)型式式雙鉸拱拱(最常見，，制作安安裝方便便，較經(jīng)經(jīng)濟(jì)，溫溫度應(yīng)力力低)無鉸拱(最經(jīng)濟(jì)，，須設(shè)強(qiáng)強(qiáng)支座，，溫度應(yīng)應(yīng)力高)三鉸拱(應(yīng)用不廣廣，拱鑰鑰鉸使結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜化)亦分為實實腹式和和格構(gòu)式式宜設(shè)計成成等截面面實腹式截截面高度度可取跨跨度的1/801/50格構(gòu)式截截面高度度可取跨跨度的1/601/30水平推力力拉桿設(shè)置置支座設(shè)計計框架結(jié)構(gòu)構(gòu)拱式結(jié)構(gòu)構(gòu)(5)拱腳構(gòu)造造處理構(gòu)造不便便空間利用用空間結(jié)構(gòu)構(gòu)加強(qiáng)連接接平面結(jié)結(jié)構(gòu)的縱縱向構(gòu)件件以形成成一個整整體結(jié)構(gòu)構(gòu)，共同同承載克服荷載載層層重重復(fù)傳遞遞，經(jīng)濟(jì)濟(jì)性好，，整體剛剛度大，，抗震性性能好薄殼結(jié)構(gòu)構(gòu),懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)，網(wǎng)架架和網(wǎng)殼殼結(jié)構(gòu),充氣結(jié)構(gòu)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)構(gòu)薄殼結(jié)構(gòu)構(gòu)基本概概念：殼體厚度度遠(yuǎn)小于于曲面尺尺寸的物物體。薄殼結(jié)構(gòu)構(gòu)折板結(jié)構(gòu)構(gòu)圓頂殼結(jié)結(jié)構(gòu)筒殼結(jié)構(gòu)構(gòu)雙曲扁殼殼結(jié)構(gòu)折板結(jié)構(gòu)構(gòu)折板結(jié)構(gòu)構(gòu)巴黎聯(lián)合合國教科科文組織織總部會會議大廳廳球殼羅馬萬神神殿約公元120～124年建于意意大利，，直徑徑43.3m，用天然然火山灰灰，變殼殼厚，頂頂厚1.2m。球殼圣索菲亞亞大教堂堂公元532～537年建于土土耳其伊伊斯擔(dān)布布爾，直直徑33m，原為拜拜占庭帝帝國東正正教的宮宮庭教堂堂。北京天文文館1957年9月建成,直徑25m，6cm厚，自重重200kg/m2。德國耶納納澤司天天文館建于1922年，直徑徑25m半球形穹穹頂，砼砼厚6cm，第一個個真正意意義薄殼殼。筒殼鋸齒形錐錐殼雙曲扁殼殼扭殼雙曲拋物物面扭殼殼結(jié)構(gòu)曲面殼頂頂?shù)慕M合合◆組合曲面面圓柱面切切割組合合組合扭面面美國TWA環(huán)球航空空公司候候機(jī)樓美國著名名建筑師師沙里寧寧1961年設(shè)計，，用4片鋼筋砼砼扁殼組組成，形形似一只只正要起起飛的大大鳥。美國圣路路易斯航航空港候候機(jī)大廳廳墨西哥城城霍奇米米爾科水水上公園園餐館建于1958年，費利利克斯·坎德拉設(shè)設(shè)計，八八片蓮花花形雙曲曲拋物面面殼。網(wǎng)架與網(wǎng)網(wǎng)殼我國網(wǎng)架架結(jié)構(gòu)發(fā)發(fā)展歷程程1982年修建中中的上海海游泳館館1984年建造的的廣州天天河體育育中心體體育館網(wǎng)架(1)特點多向傳傳力，空空間剛度度大，抗抗震性能能好適應(yīng)性性強(qiáng)經(jīng)濟(jì)指指標(biāo)好網(wǎng)架類別別(以網(wǎng)架構(gòu)構(gòu)成方式式分類)由平面桁桁架構(gòu)成(四種)兩向正交交正放網(wǎng)架表示示法網(wǎng)架和網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)(2)兩向正交交斜放兩向斜交交斜放兩向正交交斜放短桁架對對長桁架架有嵌固固作用，，受力有有利角部產(chǎn)生生拔力，，常取無無角部形形式兩向斜交交斜放適用于兩兩個方向向網(wǎng)格尺尺寸不同同的情形形受力性能能欠佳，，節(jié)點構(gòu)構(gòu)造較復(fù)復(fù)雜網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)(3)三向網(wǎng)架三個方向的平平面桁架相互互交角60比兩向網(wǎng)架剛剛度大，適合合大跨度常用于正三角角形，正六三三角形平面在謀些平面形形狀會出現(xiàn)不不規(guī)則桿件由四角錐體構(gòu)成(五種)正放四角錐網(wǎng)網(wǎng)架正放抽空四角角錐網(wǎng)架網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)(4)斜放四角錐網(wǎng)網(wǎng)架棋盤形四角錐錐網(wǎng)架星形四角錐網(wǎng)網(wǎng)架斜放四角錐網(wǎng)網(wǎng)架受力合理，桿桿件數(shù)量少屋面板類型多多屋面組織排水水較困難棋盤形四角錐錐網(wǎng)架保持正放四角角錐網(wǎng)架周邊邊四角錐不變，中間四四角錐間隔抽抽空，下弦桿呈正交斜斜放，上弦桿桿呈正交正放?？朔诵狈潘乃慕清F網(wǎng)架屋屋面板類型多，屋面組組織排水較困困難的缺點。由三角錐體構(gòu)成(三種)三角錐網(wǎng)架網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)(5)抽空三角錐網(wǎng)網(wǎng)架蜂窩形三角錐錐網(wǎng)架三(多)層網(wǎng)架減少弦桿內(nèi)力力(25%60%)，減小網(wǎng)格尺尺寸，大跨經(jīng)經(jīng)濟(jì)性好；桿桿件數(shù)量多三層網(wǎng)架示意圖網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)(6)網(wǎng)架的點支承承點支承的設(shè)置置原則通過正彎矩和和撓度減小，，使整個網(wǎng)架架的內(nèi)力趨于于均勻?qū)τ趩慰缍帱c點支承，懸挑挑長度宜取中中間跨的1/3(下圖a)對于多跨多點點支承，懸挑挑長度宜取中中間跨的1/4(下圖b)點支承的柱帽帽形式網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)(7)網(wǎng)架選型周邊支承的矩矩形平面形狀狀長短邊之比1.5時：斜放四角錐網(wǎng)網(wǎng)架，棋盤形形四角錐網(wǎng)架架，正放抽空四角角錐網(wǎng)架對于中(30m60m)小(<30m)跨度，亦可選選星形四角錐網(wǎng)網(wǎng)架，蜂窩形形三角錐網(wǎng)架架長短邊之比>1.5時：宜選正放類網(wǎng)網(wǎng)架----兩向正交正放放網(wǎng)架，正放四角錐網(wǎng)架架，正放抽空四角角錐網(wǎng)架點支承的矩矩形平面形狀狀兩向正交正放放網(wǎng)架，正放四角錐網(wǎng)架架，正放抽空四角角錐網(wǎng)架圓形，多邊邊形平面形狀狀宜選三向網(wǎng)架，三三角錐網(wǎng)架，，抽空三角錐錐網(wǎng)架兩邊或三邊支承的矩形形平面形狀自由邊作處理理后可按周邊邊支承情形考考慮。自由邊邊的兩種處理理方法：(a)整個網(wǎng)架高度度加大，自由由邊桿件截面面增大(b)自由邊局部增增加網(wǎng)架層數(shù)數(shù)(形成反梁)自由邊反梁網(wǎng)架(8)網(wǎng)架屋屋面排排水網(wǎng)架起起拱適于雙雙坡排排水；；抗震震性好好；起起拱高高度過過大，，內(nèi)力力分析析應(yīng)計計及網(wǎng)架架變高高度可降低低弦桿桿內(nèi)力，，使其其趨于于均勻勻；抗抗震性性好；；桿件種種類增增多上弦節(jié)點點設(shè)置置小立立柱(常用)可構(gòu)造造雙坡坡，四坡或其其它復(fù)復(fù)雜的的多坡坡排水水屋面面；跨度度大時時要作作穩(wěn)定定和抗抗震計計算網(wǎng)架幾幾何尺尺寸注：L2是以米米計的的網(wǎng)架架短向向跨度度；跨跨度小小于18米時網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)數(shù)可適適當(dāng)減減少。。網(wǎng)殼我國網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)發(fā)展歷歷程網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)(1)單層柱柱面網(wǎng)網(wǎng)殼的的網(wǎng)格格形式式a)單單斜桿桿柱面面網(wǎng)殼殼：桿桿件數(shù)數(shù)量少少，節(jié)節(jié)點構(gòu)構(gòu)造簡簡單；；剛度度差b)人人字形形柱面面網(wǎng)殼殼：亦亦稱弗弗普爾爾形柱柱面網(wǎng)網(wǎng)殼c)雙雙斜桿桿柱面面網(wǎng)：：殼桿桿件數(shù)數(shù)量多多；剛剛度好好d)聯(lián)聯(lián)方網(wǎng)網(wǎng)格柱柱面網(wǎng)網(wǎng)殼：：桿件件組成成菱形形，夾夾角為為3050e)三三向網(wǎng)網(wǎng)格柱柱面網(wǎng)網(wǎng)殼：：聯(lián)方方網(wǎng)格格柱面面加縱縱向桿桿件網(wǎng)殼類類別(以曲面面外形形分類類)柱面網(wǎng)網(wǎng)殼網(wǎng)架和和網(wǎng)殼殼結(jié)構(gòu)構(gòu)(10)a)正放四四角錐錐柱面面網(wǎng)殼殼b)正放抽抽空四四角錐錐柱面面網(wǎng)殼殼c)斜置正正放四四角錐錐柱面面網(wǎng)殼殼d)三角錐錐柱面面網(wǎng)殼殼e)抽空三三角錐錐柱面面網(wǎng)殼殼雙層柱柱面網(wǎng)網(wǎng)殼的的網(wǎng)格格形式式1.交交叉桁桁架體體系(略)2.四角角錐錐體系系a)：：剛剛度度大大，，桿桿件件少少，，最最常常用用b)：：適適用用于于小小跨跨度度，，輕輕屋屋面面c)：：系系將將a)斜斜置置3.三角角錐錐體系系常用用d)，，e)兩兩種種網(wǎng)架架和和網(wǎng)網(wǎng)殼殼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(11)球面面網(wǎng)網(wǎng)殼殼a)肋環(huán)環(huán)型型球球面面網(wǎng)網(wǎng)殼殼b)Schwedler型球球面面網(wǎng)網(wǎng)殼殼c)Schwedler型球球面面網(wǎng)網(wǎng)殼殼d)聯(lián)方方型型球球面面網(wǎng)網(wǎng)殼殼e)三向向網(wǎng)網(wǎng)格格型型球球面面網(wǎng)網(wǎng)殼殼單層層球球面面網(wǎng)網(wǎng)殼殼的的網(wǎng)網(wǎng)格格形形式式a):剛度度差差，，適適用用于于中中，，小小跨跨度度b):剛度度好好，，適適用用于于大大，，中中跨跨度度c):交叉叉斜斜桿桿Schwedler型還有有其其它它Schwedler型d):菱形形網(wǎng)網(wǎng)格格，，造造型型美美觀觀e):適用用于于中中，，小小跨跨度度網(wǎng)架架和和網(wǎng)網(wǎng)殼殼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(12)a)肋環(huán)型四四角錐球球面網(wǎng)殼殼b)聯(lián)方型四四角錐球球面網(wǎng)殼殼c)聯(lián)方型三三角錐球球面網(wǎng)殼殼d)平板組成成式球面面網(wǎng)殼雙層球面面網(wǎng)殼的的網(wǎng)格形形式角錐體系(常見四種種)a):肋環(huán)型四四角錐球球面網(wǎng)殼殼，b):聯(lián)方型四四角錐球球面網(wǎng)殼殼c):聯(lián)方型三三角錐球球面網(wǎng)殼殼，d):平板組成成式球面面網(wǎng)殼網(wǎng)架和網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)(13)a)正交正放放類b)正交斜放放類c)正交斜放放設(shè)斜桿桿類d)正交斜放放設(shè)斜桿桿類e)正交斜放放設(shè)斜桿桿類雙曲面網(wǎng)網(wǎng)殼的網(wǎng)網(wǎng)格形式式1.正交正放放類a):單層時在在方格內(nèi)內(nèi)設(shè)斜桿桿雙層時組組成四角錐體體2.正交斜放放類b):抗剪強(qiáng)度度弱c):第三方向向局部設(shè)斜桿d):全部方格格內(nèi)設(shè)雙斜桿桿e):第三方向向全局設(shè)斜桿雙曲面網(wǎng)網(wǎng)殼網(wǎng)殼的應(yīng)應(yīng)用2001年河南南鴨河口口電廠干干煤棚2003年國家家大劇院院實際施工工圖地面安裝裝提升就位位構(gòu)件補(bǔ)缺缺懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)是以只只能受拉拉的索作作為基本本承重構(gòu)構(gòu)件，并并將索按按照一定定規(guī)律布布置所構(gòu)構(gòu)成的一一類結(jié)構(gòu)構(gòu)體系，，是桿件件截面材材料強(qiáng)度度利用效效率最高高的結(jié)構(gòu)構(gòu)之一。。結(jié)構(gòu)形式式及分類類◆單向單層層①單層懸索索結(jié)構(gòu)懸索屋蓋蓋結(jié)構(gòu)通通常由懸懸索系統(tǒng)統(tǒng)，屋面面系統(tǒng)和和支承系系統(tǒng)三部部分構(gòu)成成。單跨雙跨懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)(1)特點軸向拉拉伸抵抗抗外荷作作用，充充分利用用鋼材強(qiáng)強(qiáng)度施工方方便，費費用低便于建建筑造型型單層懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)平行布布置形式式(跨度可達(dá)達(dá)80m，德國多多特蒙特特一展覽覽廳，1956)水平梁和和框架一一起承受懸索索拉力水平梁承受懸索索拉力懸索直接接錨掛于框框架斜拉索將將懸索拉力力拉向地錨錨懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)(2)幅射式布布置形式式(適用于圓圓形，橢橢圓形平平面)下凹雙曲曲率碟形形屋面不便于排排水，最最大的碟形屋面面：美國阿拉拉美達(dá)比賽賽館，跨跨徑128m(1967)傘形屋面面最大的傘傘形屋面面：前蘇聯(lián)伊伊利姆斯斯克汽車庫，，跨徑206m受拉內(nèi)環(huán)環(huán)采用鋼鋼制，受受壓外環(huán)環(huán)采用鋼鋼筋混凝凝土制作作?？杀缺绕叫胁疾贾米龅降捷^大跨跨度。網(wǎng)狀布置置形式(適用于圓圓形，矩矩形等各各種平面面)單層雙向向設(shè)計要點點單層懸索索體系垂垂跨比經(jīng)經(jīng)驗取值值：1/201/10加強(qiáng)形狀狀穩(wěn)定性性的措施施：采用重屋屋面采用預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼筋筋混凝土土懸掛薄薄殼采用橫向向加勁構(gòu)構(gòu)件兩向索正正交布置置屋面板規(guī)規(guī)格統(tǒng)一一邊緣構(gòu)件件彎矩大大于幅射式式布置懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)(3)雙層懸索結(jié)構(gòu)構(gòu)索垳架架一般形形式由下凹的的承重索索，上凸凸的穩(wěn)定定索及它它們之間間的連系系桿組成成承重索垂垂跨比一一般取1/201/15，穩(wěn)定定索拱拱跨比比一般般取1/201/25平行布布置形形式懸索結(jié)結(jié)構(gòu)(4)幅射式式及網(wǎng)網(wǎng)狀布布置形形式上索既既是穩(wěn)穩(wěn)定索索，又又直接接承載載a)雙層內(nèi)內(nèi)環(huán)梁梁b)雙層外外環(huán)梁梁c)雙層內(nèi)內(nèi)外環(huán)環(huán)梁d)單層外外環(huán)梁梁網(wǎng)狀狀布置置e)雙層外外環(huán)梁梁網(wǎng)狀狀布置置懸索結(jié)結(jié)構(gòu)(5)鞍形索索網(wǎng)布布置形形式帳篷式式索網(wǎng)網(wǎng)索網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)是是同一一曲面面上兩兩組曲曲率相相反的的單層層懸索索系統(tǒng)統(tǒng)相交交而成成，凹凹向下下為承承重索索，凸凸向上上的穩(wěn)穩(wěn)定索索。工程實實例美國瑞瑞雷（（Raleigh）競技技館（（大劇劇院））1952年建于于美國國北卡卡羅里里那州州，平平面91.5m×91.5近似圓圓形，，兩個個砼斜斜放拋拋物線線拱，，鞍形形正交交預(yù)應(yīng)應(yīng)力索索網(wǎng)，，世界界上第第一個個現(xiàn)代代懸索索屋蓋蓋。美國華華盛頓頓杜勒勒斯機(jī)機(jī)場1962沙里寧寧設(shè)計計，兩兩排巨巨型鋼鋼筋混混凝土土斜柱柱支撐撐，一一高一一低，，其間間懸掛掛40余米長長的鋼鋼索，，上鋪鋪屋面面板，，在重重力的的作用用下，，鋼絲絲自然然下垂垂，形形成充充滿張張力感感的屋屋頂曲曲線。。車輻式式雙層層懸索索體系系懸索結(jié)結(jié)構(gòu)(6)一些典典型建建筑單層層懸索索德國烏烏柏特特市游游泳館館德國多多特蒙蒙特展展覽大大廳前蘇聯(lián)聯(lián)克達(dá)達(dá)斯若若牙爾爾斯克克車庫庫日本古古川市市民會會館懸索結(jié)結(jié)構(gòu)(7)雙層懸懸索瑞典斯斯德哥哥爾摩摩約翰翰尼紹紹夫滑滑冰場場芬蘭赫赫爾辛辛基冰冰上運運動場場德國法法蘭克克福機(jī)機(jī)動車車檢修修場羅馬尼尼亞布布加勒