空間鋼結(jié)構(gòu)的概念與應(yīng)用二

ModernSpatialStructures大跨空間鋼結(jié)構(gòu)山東科技大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所王來第一章現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)概論一、鋼結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用二、空間鋼結(jié)構(gòu)的概念三、現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的型式和應(yīng)用

1網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)架和網(wǎng)殼（SpatialGridStructures）2張拉整體結(jié)構(gòu)（TensegrityStructures）3膜結(jié)構(gòu)（MembraneStructures）4開合結(jié)構(gòu)（RetractableStructures）5折疊結(jié)構(gòu)（DeployableStructures）6玻璃結(jié)構(gòu)（GlassifiedStructures）7其他的結(jié)構(gòu)型式（OthertypesofStructures）輕質(zhì)——材料的質(zhì)量密度與強(qiáng)度的比值小Q235鋼C30混凝土另外：航天材料、軍事材料等（1）輕質(zhì)高強(qiáng)Q235鋼

密度：7850kg/m3強(qiáng)度：235N/mm2

C30混凝土

密度：2450kg/m3強(qiáng)度：14.3N/mm2

一.鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用1.鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（2）塑性、韌性好塑性和韌性是概念上完全不同的兩個物理量塑性——承受靜力荷載時，材料吸收變形能的能力。塑性好，會使結(jié)構(gòu)一般情況下不會由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證

韌性——承受動力荷載時，材料吸收能量的多少。韌性好，說明材料具有良好的動力工作性能。（3）材質(zhì)均勻，性能穩(wěn)定，符合力學(xué)假定（4）制作簡便，施工工期短（5）密閉性好，具有可焊性：容器、管道、閘門（6）耐腐蝕性差：防腐防銹措施（7）耐熱不耐火100℃以內(nèi)，強(qiáng)度無影響150℃以上，必須進(jìn)行遮擋處理600℃左右，鋼材進(jìn)入塑性，無承載能力措施：防火涂料、防火漆、外包混凝土（8）低溫冷脆鋼結(jié)構(gòu)在低溫和其他條件下，可能發(fā)生脆性斷裂，這應(yīng)引起設(shè)計者的特別注意。1.2鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍（1）重：重工業(yè)廠房（2）大：大跨度結(jié)構(gòu)（3）高：高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)（4）動：受動荷載作用的結(jié)構(gòu)（5）輕：荷載較小的輕鋼結(jié)構(gòu)（6）拆：可拆裝的結(jié)構(gòu)二、空間結(jié)構(gòu)的概念1、空間結(jié)構(gòu)的概念空間結(jié)構(gòu)：凡是建筑結(jié)構(gòu)的形體成三維空間狀并具有三維受力特性、呈立體工作狀態(tài)的結(jié)構(gòu)稱為空間結(jié)構(gòu)。

與平面結(jié)構(gòu)的區(qū)別

2、空間結(jié)構(gòu)的歷史與發(fā)展

自然界起源：如蛋殼、肥皂泡、蜘蛛網(wǎng)、蜂窩等空間結(jié)構(gòu)的建筑美觀性空間結(jié)構(gòu)的材料空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平已成為一個國家建筑技術(shù)水平的標(biāo)志3、空間結(jié)構(gòu)的分類(1)剛性空間結(jié)構(gòu)：薄壁空間結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)網(wǎng)和殼結(jié)構(gòu)等。(2)柔性空間結(jié)構(gòu):懸索結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)等。(3)雜交空間結(jié)構(gòu):拉索預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)架（網(wǎng)殼）結(jié)構(gòu)、斜拉空間網(wǎng)架（網(wǎng)殼）結(jié)構(gòu)、索——桁結(jié)構(gòu)和懸索空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等。1、空間結(jié)構(gòu)的基本特征

三、空間結(jié)構(gòu)技術(shù)與應(yīng)用（1）空間結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)前的空間結(jié)構(gòu)型式，許多是繼承了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，比如：懸索結(jié)構(gòu)——公元前200多年，漢朝，鐵鏈懸橋；膜結(jié)構(gòu)——古時的牧民和軍隊使用的牛皮或布等制作的帳篷；開合結(jié)構(gòu)——公元82年的古羅馬大劇場就有雛形；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)——1893年就已建造，之后得到發(fā)展；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)——從1944年已經(jīng)開始發(fā)展；（2）建筑與結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一空間鋼結(jié)構(gòu)是建筑與結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，是建筑與結(jié)構(gòu)協(xié)同發(fā)展的典型——空間結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)學(xué)。幾個例子。濟(jì)州體體育場場首都機(jī)機(jī)場擴(kuò)擴(kuò)建工工程國家體體育場場國家體體育場場總占占地面面積21公頃，，建筑筑面積積258,000m2。平面為為橢圓圓形,長軸340m,短軸292m。屋蓋蓋中間間設(shè)185.3mX127.5m開口。?！傍B巢巢”鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)總重重4.2萬噸。。水立方方游泳泳館新建南南通體體育館館南通體體育場場國內(nèi)內(nèi)第一一個大大型體體育場場的開開閉頂頂工程程。它它結(jié)構(gòu)構(gòu)新穎穎，造造型獨(dú)獨(dú)特。。鋼結(jié)結(jié)構(gòu)部部分由由主拱拱桁架架、副副拱桁桁架、、斜拱拱及內(nèi)內(nèi)環(huán)拱拱組成成，屋屋蓋部部分還還有固固定網(wǎng)網(wǎng)殼和和活動動網(wǎng)殼殼。其其中主主拱桁桁架最最大跨跨度262，矢高高55.4m，結(jié)構(gòu)構(gòu)形式式非常常復(fù)雜雜，安安裝難難度國國內(nèi)罕罕見。。（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)型式式豐富富多樣樣，適適應(yīng)各各種跨跨度，，結(jié)構(gòu)構(gòu)的效效率高高，自自重輕輕（4）制作作與安安裝技技術(shù)先先進(jìn)、、工藝藝簡單單日本：：川口口衛(wèi)攀達(dá)穹穹頂（PandaDome）攀達(dá)穹穹頂體體系施施工工工程2、現(xiàn)代代空間間結(jié)構(gòu)構(gòu)的幾幾種形形式和和應(yīng)用用2.1空間網(wǎng)網(wǎng)格結(jié)結(jié)構(gòu)螺栓球球節(jié)點(diǎn)點(diǎn)焊接球球節(jié)點(diǎn)點(diǎn)螺栓球球網(wǎng)架架桿件件(1)網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)（（平板板網(wǎng)格格結(jié)構(gòu)構(gòu)）網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)是是一種種空間間桿系系結(jié)構(gòu)構(gòu)，受受力桿桿件通通過結(jié)結(jié)點(diǎn)有有機(jī)的的結(jié)合合起來來。結(jié)點(diǎn)一一般設(shè)設(shè)計成成鉸接接，桿桿件主主要承承受軸軸力作作用。。由于結(jié)結(jié)構(gòu)組組合有有規(guī)律律，大大量的的桿和和結(jié)點(diǎn)點(diǎn)的形形狀、、尺寸寸相同同，便便于工工廠化化生產(chǎn)產(chǎn)，便便于工工地安安裝。。網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)一一般是是高次次超靜靜定結(jié)結(jié)構(gòu)，，具有有較高高的安安全儲儲備，，能較較好的的承受受集中中荷載載、動動力荷荷載和和非對對稱荷荷載，，抗震震性能能好。。網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)能能適應(yīng)應(yīng)不同同跨度度、不不同支支撐條條件的的公共共建筑筑和工工廠廠廠房的的要求求，也也能適適應(yīng)不不同建建筑平平面及及其組組合。大型公公共建建筑、、工業(yè)業(yè)廠房房、大大型機(jī)機(jī)庫、、特種種結(jié)構(gòu)構(gòu)、裝裝飾網(wǎng)網(wǎng)架、、擴(kuò)建建增層層等不不同領(lǐng)領(lǐng)域。。1981年5月我國國頒布布了《網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計與與施工工規(guī)定定》（JGJ7——80）。網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)工工程應(yīng)應(yīng)用：：大型型廠房房體育設(shè)設(shè)施公路收收費(fèi)站站首都機(jī)機(jī)場亞亞洲最最大A380機(jī)庫凈跨350.8米，進(jìn)進(jìn)深110米，下下弦高高度30米，可可同時時容納納6架以空空客A380和波音音747為代表表的寬寬體客客機(jī)及及4架以波波音737為代表表的窄窄體客客機(jī)，，是目目前全全球不不多的的能夠夠容納納空客客A380的機(jī)庫庫之一一，也也是目前亞亞洲最最大的的飛機(jī)機(jī)維修修庫。。(2)網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)（（曲面面網(wǎng)格格結(jié)構(gòu)構(gòu)）網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)是是一種種空間間桿系系結(jié)構(gòu)構(gòu)，受受力桿桿件通通過結(jié)結(jié)點(diǎn)有有機(jī)的的結(jié)合合起來來。網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)則則是主主要承承受薄薄膜內(nèi)內(nèi)力的的殼體體，主主要以以其合合理的的形體體來抵抵抗外外荷載載的作作用。。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般是高高次超靜定結(jié)構(gòu)，，具有較高的安全全儲備，能較好的的承受集中荷載、、動力荷載和非對對稱荷載，抗震性性能好。同等條件特別是大大跨度條件下，網(wǎng)網(wǎng)殼要比網(wǎng)架節(jié)省省不少鋼材。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)外形美觀觀，富于表現(xiàn)，充充滿變化，改善、、豐富了人們的居居住環(huán)境。2003年我國頒布了《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程程》（JGJ61-2003）?？臻g結(jié)構(gòu)天津體育中心體育育館1989年中原化肥廠散散裝庫1995年黑龍江速滑館館國家大劇院位于北京人民大會會堂西側(cè)，西長安安街以南，總占地地面積近12公頃，總建筑面積積近15萬平方米，總投資資30億元。該工程外部圍護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼殼，是半橢圓球形形，東西長軸212.2m，南北短軸143.64m，總高度46.285。某干煤棚工程21m短程線網(wǎng)殼巨蛋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu).鎮(zhèn)江巨蛋又稱“神神州第一蛋”，是是高48米、直徑38米、斜度23.5度的巨型不銹鋼網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。2.2懸索結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)利用鋼材材良好的受拉性能能，用高強(qiáng)鋼絲做做拉索，加上高強(qiáng)強(qiáng)的邊緣構(gòu)件以及及下部的支承構(gòu)件件，使得結(jié)構(gòu)自重重極大的減小，而而跨度大大地增加加，除了穩(wěn)定性較較差外，是比較理理想的大跨屋蓋形形式。對于建筑而而言，由于拉索顯顯示出柔韌的狀態(tài)態(tài)，使得結(jié)構(gòu)形式式輕巧且富有動感感，也充分顯示了了結(jié)構(gòu)的特征和結(jié)結(jié)構(gòu)的美學(xué)。屋蓋用懸索結(jié)構(gòu)的的冰球館懸索結(jié)構(gòu)屋面覆蓋蓋的世博會展廳2.3張拉整體結(jié)構(gòu)(tensegrity)概念是由美國著名名建筑師富勒（R.B.Fuller）提出來的，它是““張拉”（Tensile）和“整體”（Integrity）的縮合。這一概念的產(chǎn)生受受到大自然的啟發(fā)發(fā)。富勒認(rèn)為宇宙宙的運(yùn)行是按照張張拉整體的原理進(jìn)進(jìn)行，即萬有引力力是一平衡的張力力網(wǎng)，而各個星球球是這張網(wǎng)中的一一個個孤立的點(diǎn)。。按照這個思想，張張拉整體結(jié)構(gòu)可定定義為一組不連續(xù)續(xù)的受壓構(gòu)件與一一套連續(xù)的受拉單單元組成的自支撐撐、自應(yīng)力的空間間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。由于張拉整體結(jié)構(gòu)構(gòu)固有的符合自然然規(guī)律的特點(diǎn)，最最大限度地利用了了材料和截面的特特性，因此可以用用盡量少的鋼材建建造超大跨度的建建筑。2.4膜結(jié)構(gòu)（MembraneStructure）膜結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來來的一種新型建筑筑結(jié)構(gòu)形式，是由由多種高強(qiáng)薄膜材材料及加強(qiáng)構(gòu)件（（鋼架、鋼柱或鋼鋼索）通過一定方方式使其內(nèi)部產(chǎn)生生一定的預(yù)張應(yīng)力力以形成一種作為為覆蓋結(jié)構(gòu)的空間間形狀，并能承受受一定的外荷載作作用的一種空間結(jié)結(jié)構(gòu)型式。膜結(jié)構(gòu)可分為兩大大類：張拉膜結(jié)構(gòu)充氣膜結(jié)構(gòu)青島音樂廣場的膜膜結(jié)構(gòu)英國倫敦千年穹頂頂（D=320m）日本北九州穴生穹穹頂日本北九州穴生穹穹頂上海體育場威海體育場張拉膜結(jié)構(gòu)的展示示空間2.5開合結(jié)構(gòu)(RetractableStructure)開合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與與人類體育事業(yè)的的發(fā)展密切相關(guān)，，是當(dāng)代人類物質(zhì)質(zhì)文化生活水平發(fā)發(fā)展到相當(dāng)程度、、人們對體育比賽賽場館功能要求日日益完美的結(jié)果。。古代的奧運(yùn)會就是是在天然草坪上、、在陽光照射與微微風(fēng)吹拂中召開的的。人們還是憧憬大自自然的天空、大自自然的陽光、大自自然的風(fēng)。如果條條件允許，敞開式式體育場是受觀眾眾和運(yùn)動員歡迎的的。因此，開合式式屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而而生。目前，開合屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)不僅僅應(yīng)用于于體育場館，而且且廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)庫、商場、廠房房以及需要晾曬的的倉儲建筑。開合結(jié)構(gòu)的開合方方式：水平移動、重疊方方式、折疊方式混合方式日本宮崎市的海洋洋穹頂（OceanDome）豐田體育場札幌穹頂日本大分體育館2.6折疊結(jié)構(gòu)（DeployableStructure）折疊結(jié)構(gòu)是一種用用時展開，不用時時可折疊收起的結(jié)結(jié)構(gòu)。從這個意義上說，，有著悠久的歷史史，廣為人們所熟熟悉的雨傘或遮陽陽傘就是一種折疊疊結(jié)構(gòu)。這表明折疊結(jié)構(gòu)的的思想自古有之，，但折疊結(jié)構(gòu)用于于建筑領(lǐng)域并形成成相應(yīng)的設(shè)計計算算理論卻是近幾十十年的事。1961年西班牙建筑師P.Pinero展出