第一章空間結(jié)構(gòu)概論12.1015

《空間結(jié)構(gòu)》

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空間結(jié)構(gòu)的概論2

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)3網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

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懸索結(jié)構(gòu)5膜結(jié)構(gòu)(全張力結(jié)構(gòu))6管桁架結(jié)構(gòu)教材大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)分析與概念設(shè)計(jì)王秀麗編著機(jī)械工業(yè)出版社參考書1網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沈祖炎陳揚(yáng)翼編者同濟(jì)大學(xué)出版社2空間結(jié)構(gòu)張文福主編科學(xué)出版社3網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊唐瑞森主著科學(xué)出版社5網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性沈世釗陳昕著科學(xué)出版社懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈世釗

徐崇寶

趙臣

著

中國建筑工業(yè)出版社7空間結(jié)構(gòu)浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院、建筑設(shè)計(jì)學(xué)院中國計(jì)劃出版社8空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工肖熾馬少華王偉成編著東南大學(xué)出版社9鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)與構(gòu)造設(shè)計(jì)手冊中國建筑工業(yè)出版社第一章空間結(jié)構(gòu)概論

spatial（space)structure建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展遵循著一條力學(xué)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(jié)構(gòu)是衡量一個(gè)國家或地區(qū)建筑技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。一、什么叫空間結(jié)構(gòu)

建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，稱空間結(jié)構(gòu)。

空間結(jié)構(gòu):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(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間，也顧及結(jié)構(gòu)外部空間的影響。不僅表達(dá)力學(xué)理念，也通過規(guī)模、形態(tài)來展示建筑意圖。

空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展與進(jìn)步反映建筑材料、結(jié)構(gòu)體系和建筑技術(shù)綜合發(fā)展的過程。與經(jīng)濟(jì)水平和各種需求發(fā)展密切相關(guān)?？臻g結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建是材料、形態(tài)、體系和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)交織在一起，是展示建筑造型與合理結(jié)構(gòu)體系間的高度和諧；建筑師和結(jié)構(gòu)工程師不可或缺，施工技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展。平面結(jié)構(gòu)的傳力是有層次的，路徑是：從次要構(gòu)件向主要構(gòu)件。如：框架結(jié)構(gòu)荷載從樓板依次傳到次梁、主梁、框架柱，最后到達(dá)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗力，主要依賴截面尺寸和材料的強(qiáng)度?？臻g結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，是充分利用三維幾何構(gòu)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(jié)構(gòu)，桿件作為整體結(jié)構(gòu)的一部分，按空間幾何特性承受荷載，沒有“主次”關(guān)系。從分析、設(shè)計(jì)和施工的角度，它是不能被分解為平面結(jié)構(gòu)的。二

空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)自然界總是建造最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，如蛋殼、肥皂泡、蜂窩、蜘蛛網(wǎng)等。蛋殼——鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)海螺——薄殼結(jié)構(gòu)肥皂泡——膜結(jié)構(gòu)蜂窩——網(wǎng)架結(jié)構(gòu)蜘蛛網(wǎng)——懸索結(jié)構(gòu)棕櫚樹葉——折板結(jié)構(gòu)

以仿生原理來理解和發(fā)展空間結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)創(chuàng)造力。最優(yōu)的結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為是藝術(shù)與結(jié)構(gòu)融合的產(chǎn)物。

空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：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(jié)構(gòu):內(nèi)力沿中曲面?zhèn)鬟f；懸索結(jié)構(gòu):拉力內(nèi)力的均勻性和分散性3立體性結(jié)構(gòu)分析時(shí)不能忽略立體性三、空間結(jié)構(gòu)的形式按受力特點(diǎn)可分為：剛性結(jié)構(gòu)（stiffspacestructures)體系、柔性(flexibility)結(jié)構(gòu)體系和組合(雜交hybrid)結(jié)構(gòu)體系等三大體系。1剛性結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)：構(gòu)件剛度好，結(jié)構(gòu)的形體由構(gòu)件的剛度形成。形式：薄殼結(jié)構(gòu)、折板結(jié)構(gòu)、空間剛架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（平板）和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（曲面）、空間拱等。（1）薄殼結(jié)構(gòu)

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

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

spacetruss由桿件組成，具有多向受力的性能，空間剛度大，整體性強(qiáng)，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(gòu)件和焊接空心球結(jié)點(diǎn)，用鋼指標(biāo)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(shè)四條抗震縫，將其分為五個(gè)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(jié)構(gòu)，1區(qū)是高空滑移法，5區(qū)與同濟(jì)合作，整體提升法。網(wǎng)架下弦標(biāo)高16.5米，網(wǎng)架的四周支承在鋼筋砼柱柱頂，三個(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。桁架下弦標(biāo)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(shè)計(jì),屋蓋承重結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。

樓高42.6米，樓面標(biāo)高分別為5.0、10.0、15.50、21.50、27.0、32.0米，框架柱在標(biāo)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(gòu)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(gòu)成一個(gè)無柱大空間）。屋蓋為雙向大懸臂結(jié)構(gòu)，總重4640噸，南北各懸挑35米，東西向各懸挑21米，角點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定,提高其整體剛度在屋面結(jié)構(gòu)上弦設(shè)置了水平支撐,在懸臂部分設(shè)置了水平支撐和垂直支撐,以此形成了一個(gè)封閉穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)樓面采用組合壓型鋼板，屋面采用雙層夾芯屋面板。鋼結(jié)構(gòu)工程總造價(jià)1.2億元人民幣。（3）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件，焊接空心球，用鋼指標(biāo)55kg/m2。圓形平面凈跨108m，周邊伸出13.5m，殼厚度3m。預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼——攀枝花市體育館，預(yù)應(yīng)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(dāng)時(shí)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(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心設(shè)計(jì)，浙江東南網(wǎng)架集團(tuán)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(dá)穹頂）整體提升施工工藝分為地面安裝→提升就位→構(gòu)件補(bǔ)缺三個(gè)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(jié)構(gòu)體系

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)構(gòu)件為柔性，如鋼纜、鋼索、薄膜等，結(jié)構(gòu)的形體由體系內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力形成。

1、懸索結(jié)構(gòu)通過索的軸向拉伸抵抗外荷作用，利用鋼索的抗拉強(qiáng)度，減輕結(jié)構(gòu)自重。當(dāng)跨度不超過150m時(shí)，屋蓋的鋼索用量—般小于10kg/m2。能適應(yīng)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(gè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，直徑94m。浙江體育館交叉索網(wǎng)體系的懸索結(jié)構(gòu)，橢圓形平面80m60m。

（2）充氣膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分為：低壓體系和高壓體系。低壓體系移動(dòng)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(jié)構(gòu)。雙層膜結(jié)構(gòu)，中間通熱空氣融雪；中央計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測風(fēng)速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力，自動(dòng)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(jié)構(gòu)(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(gòu)件，其作用如同梁、拱、空間構(gòu)架等。1970年建成大阪世界博覽會富士館氣肋式充氣結(jié)構(gòu)。（3）張拉整體結(jié)構(gòu)（全拉緊結(jié)構(gòu)）

Tensegritysystems

由一組互相獨(dú)立的受壓桿與一套連續(xù)的受拉索構(gòu)成。不依賴于外力，受拉索與受壓構(gòu)件自應(yīng)力平衡，是自支承的網(wǎng)狀桿系結(jié)構(gòu)。

美國亞特蘭大奧運(yùn)會主體育館張拉整體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)（4）薄膜結(jié)構(gòu)membrancestructure用連續(xù)薄膜作為基本材料的一種張拉結(jié)構(gòu)。薄膜既是結(jié)構(gòu)材料，也是建筑材料。1）張拉式膜結(jié)構(gòu)

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

骨架起承重作用，膜體僅為輔助物，膜體本身的結(jié)構(gòu)作用發(fā)揮不足。骨架式膜結(jié)構(gòu)造價(jià)低于張拉式體系。骨架式與張拉式的結(jié)合運(yùn)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(jié)構(gòu)。屋蓋最大懸挑長度為73.5m，屋面層為57個(gè)傘狀拉索結(jié)構(gòu)，上面覆蓋膜層。組合結(jié)構(gòu)體系（雜交結(jié)構(gòu)體系）

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

雜交空間結(jié)構(gòu)可以是剛性結(jié)構(gòu)體系之間的組合，如拱與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組合形成的拱支網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、拱支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等；柔性結(jié)構(gòu)體系之間的組合，如懸索與薄膜組合而成的索膜結(jié)構(gòu)等；柔性結(jié)構(gòu)體系與剛性結(jié)構(gòu)體系之間的組合，如索與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組合形成的斜拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、拉索預(yù)應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及索與桁架結(jié)構(gòu)組合而成的橫向加勁單曲懸索結(jié)構(gòu)等。斜拉網(wǎng)架——吳縣太湖收費(fèi)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(jié)合的組合網(wǎng)架。漢城世界杯體育場2001年吊掛式和索膜結(jié)構(gòu)天蓬昆明世博園藝術(shù)廣場膜結(jié)構(gòu)浙江黃龍?bào)w育中心體育場斜拉網(wǎng)殼

2000年建

位于杭州市黃龍洞風(fēng)景區(qū)以北，是國內(nèi)超大型體育設(shè)施之一。該方案設(shè)計(jì)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(shè)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(diǎn)標(biāo)高39m，低處標(biāo)高31.8m，南北塔樓最高點(diǎn)標(biāo)高85m。能容納觀眾53600人，內(nèi)設(shè)400m跑道。

挑蓬結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，斜拉索的錨固端從上往下排列在吊塔上，錨固節(jié)點(diǎn)穿過吊塔外墻設(shè)在塔內(nèi)部。在塔外側(cè)施加預(yù)應(yīng)力，保證作為懸臂結(jié)構(gòu)吊塔的強(qiáng)度和剛度。挑蓬結(jié)構(gòu)為兩塊正放四角錐焊接球節(jié)點(diǎn)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(yù)應(yīng)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(shè)9根斜拉索，與塔柱肢相連，在網(wǎng)殼上弦靠內(nèi)環(huán)梁設(shè)置9根穩(wěn)定索，錨固在外環(huán)梁，抵抗向上的風(fēng)荷載。斜拉索與穩(wěn)定索采用75高強(qiáng)度鋼鉸線。網(wǎng)殼桿件內(nèi)力較大，空間角度復(fù)雜。內(nèi)環(huán)梁作為網(wǎng)殼的支撐構(gòu)件，同時(shí)也是斜拉索下錨固節(jié)點(diǎn)，斜拉索下錨固節(jié)點(diǎn)位于梁中腹內(nèi)；穩(wěn)定索錨固節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(diǎn)。青島體育館，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)平面尺寸為80m45m。

安徽省體育館桁架加勁的單曲面懸索結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，平面尺寸為201m201m；雙層膜結(jié)構(gòu)，中間可通熱空氣融雪；中央計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測風(fēng)速、雪壓、室內(nèi)氣壓、膜和索的變形及內(nèi)力，并自動(dòng)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(jié)構(gòu)類型鋼管桁架+拱建成時(shí)間2001.7清華大學(xué)綜合體育館21屆大運(yùn)會2001.8.22—9.1

總建筑面積12600平方米，總觀眾席位5000個(gè)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(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍空間結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jī)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(jié)構(gòu)形式的發(fā)展趨勢1張拉整體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)