钢结构设计3_1-0425

1、第三章第三章 大跨屋盖结构大跨屋盖结构鸟巢：鸟巢：南北南北332.3332.3米、东西米、东西296.4296.4米，最高点米，最高点68.568.5米，最低点米，最低点40.140.1；屋盖中间开洞长度为屋盖中间开洞长度为185.3m ,185.3m ,宽宽度为度为127.5m127.5m；水立方：水立方：177m177m177m177m31m31m，英国伦敦英国伦敦20122012年奥运会主体育场年奥运会主体育场“伦敦碗伦敦碗”（80,00080,000座）座） 3.1 3.1 结构形式结构形式 3.2 3.2 网架的结构形式网架的结构形式 3.3 3.3 网架的计算要点网架的计算要点 3

2、.4 3.4 空间杆系有限元法空间杆系有限元法 3.5 3.5 网架杆件设计网架杆件设计 3.6 3.6 节点设计节点设计 3.7 3.7 网壳网壳本章内容 大跨度结构的分类大跨度结构的分类（根据几何形状、受力特点）（根据几何形状、受力特点） 平面结构体系平面结构体系空间结构体系空间结构体系 梁式结构梁式结构 平面刚架结构平面刚架结构 拱式结构拱式结构 平板网架结构平板网架结构 网壳结构网壳结构 悬索结构悬索结构 斜拉结构斜拉结构 张拉整体结构张拉整体结构3.13.1结构形式结构形式(1) (1) 梁式结构梁式结构 受力特点：在横向荷载作用下，弯矩剪力分布不均匀，采用受力特点：在横向荷载作用下

3、，弯矩剪力分布不均匀，采用等截面设计方法，导致材料利用率比较低，所以仅在跨度比等截面设计方法，导致材料利用率比较低，所以仅在跨度比较小时采用实腹式梁（工字钢梁）。较小时采用实腹式梁（工字钢梁）。 桁架结构形式：桁架结构形式：当跨度大于当跨度大于3030米，优先考虑桁架结构形式，米，优先考虑桁架结构形式，所有杆件均为二力杆，材料利用率比较高；所有杆件均为二力杆，材料利用率比较高； 张弦梁结构形式：张弦梁结构形式：上海浦东国际机场上海浦东国际机场国家体育馆：国家体育馆：屋盖呈波浪形，南北长屋盖呈波浪形，南北长144m144m，东西宽，东西宽114m114m，采，采用双向正交张弦空间网格结构，其上弦

4、为正交桁架组成的空用双向正交张弦空间网格结构，其上弦为正交桁架组成的空间网格结构。间网格结构。（2 2）平面刚架结构）平面刚架结构 跨度较小时，常用实腹式框架跨度较小时，常用实腹式框架( (常用工字形截面常用工字形截面) )；由；由于内力分布不均匀，可采用变截面形式；于内力分布不均匀，可采用变截面形式；（2 2）平面刚架结构）平面刚架结构 跨度较大时，常用格构式框架；跨度较大时，常用格构式框架；由24榀主桁架和24根桁架柱组成空间刚架结构(3) (3) 拱式结构拱式结构（3 3）拱式结构）拱式结构（4 4）平板网架结构）平板网架结构组成：组成：由许多形状和尺寸都标准化的杆件与节点体系组成，由许

5、多形状和尺寸都标准化的杆件与节点体系组成，一般采用型钢或钢管材料。一般采用型钢或钢管材料。 特点：特点：高次超静定结构；空间刚度大，整体性强，能承受高次超静定结构；空间刚度大，整体性强，能承受不同方向、不同性质荷载。网架结构杆件轴心受力为主，不同方向、不同性质荷载。网架结构杆件轴心受力为主，材料利用率高。材料利用率高。温州游泳馆温州游泳馆（5 5）网壳结构）网壳结构组成：组成：由许多形状和尺寸都标准化的杆件与节点体系组成，由许多形状和尺寸都标准化的杆件与节点体系组成，一般采用型钢或钢管材料。一般采用型钢或钢管材料。曲面形式。曲面形式。 石景山体育馆石景山体育馆（19901990年亚运会）年亚运

6、会），平面为边长为，平面为边长为99.7m99.7m的正三角形，屋盖由三片四边形的双曲抛物面网壳组成。的正三角形，屋盖由三片四边形的双曲抛物面网壳组成。国家大剧院国家大剧院，双层球面网壳，双层球面网壳，212.2mx143.6m212.2mx143.6m。（5 5）网壳结构）网壳结构受力特点受力特点1 1：空间：空间“拱拱”，产生水平推力。，产生水平推力。（5 5）网壳结构）网壳结构受力特点受力特点2 2：空间拱，轴压为主，容易出现失稳。：空间拱，轴压为主，容易出现失稳。20082008年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学校内，总建筑面积年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学校内，总建筑面积24383m

7、24383m2 2，屋盖最大跨度，屋盖最大跨度93m93m，矢高，矢高9.3m9.3m。乐清体育中心：乐清体育中心：体育馆和游泳馆平面为椭圆形，其中体育馆长短体育馆和游泳馆平面为椭圆形，其中体育馆长短轴尺寸为轴尺寸为148mx128m148mx128m、游泳馆为、游泳馆为138mx108m138mx108m，两馆均采用弦支穹顶，两馆均采用弦支穹顶结构结构 （6 6）悬索结构）悬索结构组组成成层层数数单层单层悬索结构悬索结构双层双层悬索结构悬索结构优点：优点：传力明确，构造简单；传力明确，构造简单；缺点：缺点：屋面稳定性差，抗风（上吸力）屋面稳定性差，抗风（上吸力）能力小。常采用重屋面，适用于中

8、小跨能力小。常采用重屋面，适用于中小跨度建筑的屋盖。度建筑的屋盖。特点特点：稳定性好，整体刚度大，反向：稳定性好，整体刚度大，反向曲率的索系可以承受不同方向荷载。曲率的索系可以承受不同方向荷载。适宜于采用轻屋面，如铁皮、铝板、适宜于采用轻屋面，如铁皮、铝板、石棉板等屋面材料和轻质高效的保温石棉板等屋面材料和轻质高效的保温材料，以减轻屋盖自重、节约材料、材料，以减轻屋盖自重、节约材料、降低造价降低造价（7 7）斜拉结构）斜拉结构（8 8）张拉整体结构）张拉整体结构（索穹顶结构）（索穹顶结构） FullerFuller希望在这种结构中尽可能地减少受压构件，结构处于希望在这种结构中尽可能地减少受压构

9、件，结构处于连续的张拉状态，使压力成为张拉海洋的孤岛。连续的张拉状态，使压力成为张拉海洋的孤岛。 基本组成单元：基本组成单元：张力索、压杆、膜张力索、压杆、膜索杆张力结构索杆张力结构结构特点：结构特点：（1 1）柔性体系，依靠施加预应力提供刚度；）柔性体系，依靠施加预应力提供刚度；（2 2）结构效率极高，自重轻，如佐治亚穹顶（）结构效率极高，自重轻，如佐治亚穹顶（Georgia DomeGeorgia Dome） 30 kg /m2 30 kg /m2 ；（3 3）自平衡体系（加上外圈压力环）；）自平衡体系（加上外圈压力环）；16榀，直径120m，容纳15000观众亚特兰大佐治亚穹顶亚特兰大佐

10、治亚穹顶1992 屋盖平面为240m193m的椭圆形, 156个节点，78根桅杆 , 30 kg /m2 19921992年度全美最佳设计年度全美最佳设计 台台湾湾桃桃园园体体育育场场跨度跨度120m，有，有3圈环圈环索，容纳索，容纳15000观众观众1993本节小结：本节小结：（1）空间大跨结构形式多样，各种结构均有其自身优缺点，）空间大跨结构形式多样，各种结构均有其自身优缺点，根据实际情况选择合适结构形式；根据实际情况选择合适结构形式；（2）就目前工程应用情况来讲，梁式结构、网架结构、网）就目前工程应用情况来讲，梁式结构、网架结构、网壳结构这类刚性结构应用较多，设计施工技术较为成熟；壳结构这类刚性结构应用较多，设计施工技术较为成熟；（3）空间大跨结构发展趋势为）空间大跨结构发展趋势为“轻质化轻质化”、“高效化