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文檔簡介

《空間結構》

1

空間結構的概論2

網(wǎng)架結構3網(wǎng)殼結構

4

懸索結構5膜結構(全張力結構)6管桁架結構教材大跨度空間鋼結構分析與概念設計王秀麗編著機械工業(yè)出版社參考書1網(wǎng)架與網(wǎng)殼結構沈祖炎陳揚翼編者同濟大學出版社2空間結構張文福主編科學出版社3網(wǎng)殼結構設計尹德鈺劉善維錢若軍合著中國建筑工業(yè)出版社4新編網(wǎng)架結構設計手冊唐瑞森主著科學出版社5網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性沈世釗陳昕著科學出版社懸索結構設計

沈世釗

徐崇寶

趙臣

中國建筑工業(yè)出版社7空間結構浙江大學建筑工程學院、建筑設計學院中國計劃出版社8空間結構設計與施工肖熾馬少華王偉成編著東南大學出版社9鋼結構節(jié)點與構造設計手冊中國建筑工業(yè)出版社第一章空間結構概論

spatial(space)structure建筑結構的發(fā)展遵循著一條力學主線——將M轉(zhuǎn)化為N;梁板——桁架、網(wǎng)架——拱、殼、網(wǎng)殼——索、膜等??臻g結構是衡量一個國家或地區(qū)建筑技術水平的一個重要標志。一、什么叫空間結構

建筑結構的形體成三維空間狀并具有三維受力特性且呈立體工作狀態(tài)的結構,稱空間結構。

空間結構:創(chuàng)造宏大內(nèi)部的空間,利用空間形態(tài)或三維形態(tài)來抵抗外力。它考慮結構的內(nèi)部空間,也顧及結構外部空間的影響。不僅表達力學理念,也通過規(guī)模、形態(tài)來展示建筑意圖。

空間結構的發(fā)展與進步反映建筑材料、結構體系和建筑技術綜合發(fā)展的過程。與經(jīng)濟水平和各種需求發(fā)展密切相關??臻g結構的創(chuàng)建是材料、形態(tài)、體系和結構表現(xiàn)交織在一起,是展示建筑造型與合理結構體系間的高度和諧;建筑師和結構工程師不可或缺,施工技術也得到相應的發(fā)展。平面結構的傳力是有層次的,路徑是:從次要構件向主要構件。如:框架結構荷載從樓板依次傳到次梁、主梁、框架柱,最后到達基礎。結構或構件抗力,主要依賴截面尺寸和材料的強度??臻g結構的受力特點,是充分利用三維幾何構成,形成合理的受力形態(tài),發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢。如網(wǎng)殼結構,桿件作為整體結構的一部分,按空間幾何特性承受荷載,沒有“主次”關系。從分析、設計和施工的角度,它是不能被分解為平面結構的。二

空間結構的特點自然界總是建造最經(jīng)濟的結構,如蛋殼、肥皂泡、蜂窩、蜘蛛網(wǎng)等。蛋殼——鋼筋混凝土殼體結構海螺——薄殼結構肥皂泡——膜結構蜂窩——網(wǎng)架結構蜘蛛網(wǎng)——懸索結構棕櫚樹葉——折板結構

以仿生原理來理解和發(fā)展空間結構形體有著特別重要的意義。

能充分利用不同材料的特性,以各種變化的形式適應建筑造型的需要,受力合理、整體性和穩(wěn)定性好,重量輕、空間剛度大、抗震性能好,造型美觀、形式活潑新穎、能突出人類藝術創(chuàng)造力。最優(yōu)的結構通常被認為是藝術與結構融合的產(chǎn)物。

空間結構的特點:1)面內(nèi)力(薄膜內(nèi)力、中面內(nèi)力):平行板面的拉力、壓力和剪力。面外力(彎曲內(nèi)力):彎矩、扭矩和豎剪力。

1內(nèi)力呈三維傳遞以面內(nèi)力或軸力為主2)薄殼結構:內(nèi)力沿中曲面?zhèn)鬟f;懸索結構:拉力內(nèi)力的均勻性和分散性3立體性結構分析時不能忽略立體性三、空間結構的形式按受力特點可分為:剛性結構(stiffspacestructures)體系、柔性(flexibility)結構體系和組合(雜交hybrid)結構體系等三大體系。1剛性結構體系特點:構件剛度好,結構的形體由構件的剛度形成。形式:薄殼結構、折板結構、空間剛架結構、網(wǎng)架結構(平板)和網(wǎng)殼結構(曲面)、空間拱等。(1)薄殼結構

殼體的厚度與中曲面曲率半徑之比小于1:20,薄殼結構主要受壓,它利用了混凝土抗壓性能好的特點。

P7法國巴黎國家工業(yè)與技術展覽中心大廳混凝土薄殼結構厚跨比1:1200,雞蛋殼1:100新疆某機械廠金工車間薄殼結構,直徑為60m。(2)網(wǎng)架結構

spacetruss由桿件組成,具有多向受力的性能,空間剛度大,整體性強,抗震性能好,制作安裝方便。1973年建成的上海萬人體育館,圓形平面,三向網(wǎng)架凈跨110m,厚6m;采用圓鋼管構件和焊接空心球結點,用鋼指標47kg/m2。廈門國際會展中心以會議、展覽為龍頭,集信息、商貿(mào)、酒店、旅游購物、娛樂休閑等為一體的多功能公共建筑,占地面積47公頃,首期總建筑面積150000m2,總投資11.7億。首期工程主樓平面尺寸為115×405米,沿橫向設四條抗震縫,將其分為五個區(qū)段。1、5區(qū)為81×81米無柱展廳,屋蓋采用三層焊接球網(wǎng)架結構,1區(qū)是高空滑移法,5區(qū)與同濟合作,整體提升法。網(wǎng)架下弦標高16.5米,網(wǎng)架的四周支承在鋼筋砼柱柱頂,三個支承邊為9米柱距,另一支承邊為27米柱距。網(wǎng)架的網(wǎng)格尺寸為4.5×4.5米,采用正交正放四角錐、上弦桿結構找坡網(wǎng)架,端部高度為3.0+2.5米,跨中高度為3.0+4.5米。2、4區(qū)為81×81米有柱展廳,屋蓋采用雙向空間鋼桁架結構。桁架下弦標高為10.55米,桁架高度H=4.0米,鋼桁架沿縱向間距為27米,沿橫向間距為9米,均支承在鋼筋砼柱柱頂。屋面為屋頂花園,屋面活荷載按8.0KN/m2設計,屋蓋承重結構選用鋼桁架,并且正交桁架高度相等,弦桿為剛接,在縱向垂直支撐、系桿的保證作用下形成空間桁架結構體系。

樓高42.6米,樓面標高分別為5.0、10.0、15.50、21.50、27.0、32.0米,框架柱在標高21.50米以下為鋼骨砼柱,框架梁采用焊接工字形鋼梁,其它梁、柱構件選用國產(chǎn)軋制H型鋼。頂層多功能廳南北長151米,東西寬69米,支承在中間81×27米圍合而成的28根箱形鋼柱上(其中有24根延伸至屋頂構成一個無柱大空間)。屋蓋為雙向大懸臂結構,總重4640噸,南北各懸挑35米,東西向各懸挑21米,角點懸挑40.8米。單榀桁架最大重量80噸,35米外挑桁架總重1640余噸。由于建筑造型的要求,結構采用了空間巨型桁架體系,將多功能廳的樓面和屋面分別作為巨型桁架的下弦和上弦,為了保證結構穩(wěn)定,提高其整體剛度在屋面結構上弦設置了水平支撐,在懸臂部分設置了水平支撐和垂直支撐,以此形成了一個封閉穩(wěn)定的空間結構。主體結構樓面采用組合壓型鋼板,屋面采用雙層夾芯屋面板。鋼結構工程總造價1.2億元人民幣。(3)網(wǎng)殼結構網(wǎng)殼曲面分為:球面、柱面和雙曲拋物面(馬鞍形或扭面形)。平面形狀有:圓形、橢圓形、扇形、矩形、多邊形及其組合。網(wǎng)殼結構主要承受壓力,存在穩(wěn)定問題。吉林某倉庫肋環(huán)形球面網(wǎng)殼,直徑為86m。

1994年建成的天津體育館,肋環(huán)斜桿型雙層球面網(wǎng)殼,圓鋼管構件,焊接空心球,用鋼指標55kg/m2。圓形平面凈跨108m,周邊伸出13.5m,殼厚度3m。預應力網(wǎng)殼——攀枝花市體育館,預應力雙層球網(wǎng)殼,短程線形,花瓣八邊形,跨度74.8m。嘉興發(fā)電廠干煤棚雙層柱面網(wǎng)殼跨度為103.5m,正放四角型,用鋼量65kg/m2。嘉興電廠干煤棚雙層三心圓柱面網(wǎng)殼,

2001年河南鴨河口電廠干煤棚跨度108米,長度90米,矢高38.766米,正放四角錐三心圓柱面雙層網(wǎng)殼,當時亞洲跨度最大的柱面網(wǎng)殼。

采用“折疊展開式”整體提升施工方法,國內(nèi)首次,浙江大學空間結構研究中心設計,浙江東南網(wǎng)架集團公司承接施工,提升工作于2001年5月31日一天內(nèi)完成。

折疊展開式網(wǎng)殼(pantadom——攀達穹頂)整體提升施工工藝分為地面安裝→提升就位→構件補缺三個主要步驟。深圳市民中心,2002年我國覆蓋面積最大的網(wǎng)殼,全長500m。2001年廣東現(xiàn)代會展中心福建省體育館2柔性結構體系

特點:結構構件為柔性,如鋼纜、鋼索、薄膜等,結構的形體由體系內(nèi)部的預應力形成。

1、懸索結構通過索的軸向拉伸抵抗外荷作用,利用鋼索的抗拉強度,減輕結構自重。當跨度不超過150m時,屋蓋的鋼索用量—般小于10kg/m2。能適應不同的建筑平面,建筑造型豐富。1953年美國北卡羅來納州雷里體育館67.4m×38.7m,橢圓形,由兩個交叉拱支承馬鞍形交叉索系。淄博體育館1986年吉林滑冰館吉林滑冰館單曲面雙層懸索結構,跨度59m,長度72m的矩形平面。北京工人體育館輻射狀(雙曲面)雙層懸索結構,直徑94m。浙江體育館交叉索網(wǎng)體系的懸索結構,橢圓形平面80m60m。

(2)充氣膜結構air-supported

以柔性膜為承重材料,利用薄膜內(nèi)外空氣壓力差來穩(wěn)定薄膜,承受外荷載。充氣膜結構分為:低壓體系和高壓體系。低壓體系移動式醫(yī)院1988年建成的日本東京后樂園棒球館,氣承式索-膜結構。雙層膜結構,中間通熱空氣融雪;中央計算機自動監(jiān)測風速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力,自動選擇最佳方法來控制室內(nèi)氣壓和消除積雪。氣肋式充氣結構(高壓體系)

由自封閉的膜材充以高壓氣體,形成可以傳遞橫向力的管狀薄膜構件,其作用如同梁、拱、空間構架等。1970年建成大阪世界博覽會富士館氣肋式充氣結構。(3)張拉整體結構(全拉緊結構)

Tensegritysystems

由一組互相獨立的受壓桿與一套連續(xù)的受拉索構成。不依賴于外力,受拉索與受壓構件自應力平衡,是自支承的網(wǎng)狀桿系結構。

美國亞特蘭大奧運會主體育館張拉整體結構,平面為240mx193m的橢圓形。美國亞特蘭大市佐治亞體育館張拉整體結構(4)薄膜結構membrancestructure用連續(xù)薄膜作為基本材料的一種張拉結構。薄膜既是結構材料,也是建筑材料。1)張拉式膜結構

以優(yōu)良性能的織物為膜材,利用剛索或剛性支承結構向膜內(nèi)預施加張力。形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結構體系。深圳大梅沙海濱廣場張拉膜2)骨架式膜結構

骨架起承重作用,膜體僅為輔助物,膜體本身的結構作用發(fā)揮不足。骨架式膜結構造價低于張拉式體系。骨架式與張拉式的結合運用,可取得更富于變化的建筑效果。

南京新街口地下廣場出入口1997年上海八萬人體育場屋蓋馬鞍形,由徑向懸挑桁架加環(huán)向桁架組成的環(huán)狀大懸挑鋼管空間結構。屋蓋最大懸挑長度為73.5m,屋面層為57個傘狀拉索結構,上面覆蓋膜層。組合結構體系(雜交結構體系)

hybridstructuralsystem由不同類型的結構組合而成的新的結構體系。利用一種結構的長處來抵消另一種與之組合的結構的短處,使每一種單一類型的空間結構形式及其材料均能發(fā)揮最大的潛力,改善整個空間結構體系的受力性能。

雜交空間結構可以是剛性結構體系之間的組合,如拱與網(wǎng)格結構組合形成的拱支網(wǎng)架結構、拱支網(wǎng)殼結構等;柔性結構體系之間的組合,如懸索與薄膜組合而成的索膜結構等;柔性結構體系與剛性結構體系之間的組合,如索與網(wǎng)格結構組合形成的斜拉網(wǎng)格結構、拉索預應力網(wǎng)絡結構及索與桁架結構組合而成的橫向加勁單曲懸索結構等。斜拉網(wǎng)架——吳縣太湖收費站江西撫州體育館平面尺寸為58m45.5m混凝土屋面與網(wǎng)架結合的組合網(wǎng)架。漢城世界杯體育場2001年吊掛式和索膜結構天蓬昆明世博園藝術廣場膜結構浙江黃龍體育中心體育場斜拉網(wǎng)殼

2000年建

位于杭州市黃龍洞風景區(qū)以北,是國內(nèi)超大型體育設施之一。該方案設計中主體育場底部為半徑150m的圓形,比賽場地為南北向長軸長,東西向橫軸短的橢圓形。觀眾席頂部設有挑蓬,挑蓬覆蓋座席的覆蓋率超過90%,挑蓬懸挑50m,挑蓬東西向中點標高39m,低處標高31.8m,南北塔樓最高點標高85m。能容納觀眾53600人,內(nèi)設400m跑道。

挑蓬結構由吊塔、斜拉索、內(nèi)環(huán)梁、網(wǎng)殼、外環(huán)梁和穩(wěn)定索組成。兩塔柱間的距離250米,塔地下2層,地上24層,頂部85m,每塔分東西兩肢,在地下室、36層、2122層三處將兩肢相連。

吊塔為預應力鋼筋混凝土筒體結構,斜拉索的錨固端從上往下排列在吊塔上,錨固節(jié)點穿過吊塔外墻設在塔內(nèi)部。在塔外側(cè)施加預應力,保證作為懸臂結構吊塔的強度和剛度。挑蓬結構為兩塊正放四角錐焊接球節(jié)點圓柱面網(wǎng)殼244×50×3,網(wǎng)殼一端支撐在外環(huán)梁上,一端支撐在內(nèi)外環(huán)梁上。外環(huán)梁為支撐于看臺框架上的預應力鋼筋混凝土箱形梁,內(nèi)環(huán)梁為2200160025(30)的箱形鋼梁。

內(nèi)環(huán)設9根斜拉索,與塔柱肢相連,在網(wǎng)殼上弦靠內(nèi)環(huán)梁設置9根穩(wěn)定索,錨固在外環(huán)梁,抵抗向上的風荷載。斜拉索與穩(wěn)定索采用75高強度鋼鉸線。網(wǎng)殼桿件內(nèi)力較大,空間角度復雜。內(nèi)環(huán)梁作為網(wǎng)殼的支撐構件,同時也是斜拉索下錨固節(jié)點,斜拉索下錨固節(jié)點位于梁中腹內(nèi);穩(wěn)定索錨固節(jié)點位于箱形內(nèi)部,中空部分兼做穩(wěn)定索施工通道。深圳游泳跳水館斜拉桁架覆蓋面積120m×80m,2001年內(nèi)景深圳游泳跳水館結構示意圖

1榀主桁架8榀次梁,沿主桁架成對布置四根桅桿,每桅桿有四根斜拉索(鋼棒),使次桁架至少增加一支點。青島體育館,索網(wǎng)結構,跨度74m北京北郊體育中心綜合體育館斜拉網(wǎng)殼平面尺寸為112mx80m丹東體育館剛架支承單曲面懸索結構平面尺寸為80m45m。

安徽省體育館桁架加勁的單曲面懸索結構平面尺寸為72m53m的六邊形。

1988年建成的日本東京都室內(nèi)棒球場,鋼索與氣承膜組合的索膜結構,平面尺寸為201m201m;雙層膜結構,中間可通熱空氣融雪;中央計算機自動監(jiān)測風速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力,并自動選擇最佳方法來控制室內(nèi)氣壓和消除積雪。大邱座席70000屋蓋面積24000m2屋面膜材PTFE結構類型鋼管桁架+拱建成時間2001.7清華大學綜合體育館21屆大運會2001.8.22—9.1

總建筑面積12600平方米,總觀眾席位5000個主體建筑由兩根108米跨度的變截面鋼筋混凝土大拱懸吊桁架鋁鎂合金屋面。四空間結構應用范圍空間結構對現(xiàn)代建筑產(chǎn)生了重大影響,為奇特的建筑造型,提供巨大的跨越空間,廣泛應用于大型體育場館、影劇院、會議展覽中心、大型商場、車站、航站樓、機庫、干煤棚、各類工業(yè)廠房倉庫及各種大、中、小跨度的公共與工業(yè)建筑。五空間結構形式的發(fā)展趨勢1張拉整體結構結構

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