第3章大跨屋盖结构

1、发展历史平面结构体系薄壳结构薄膜结构网架结构悬索结构桁架结构 拱结构(单)悬索梁薄腹梁空间结构体系2、大跨建筑的发展概况、大跨建筑的发展概况（1）罗马万神庙，见图）罗马万神庙，见图1万神庙平面是圆型的，穹顶直万神庙平面是圆型的，穹顶直径达径达43.3m，顶端高度也是，顶端高度也是43.3m；穹顶象征天宇，中央；穹顶象征天宇，中央开一个直径开一个直径8.9m的圆洞。的圆洞。2、大跨建筑的发展概况、大跨建筑的发展概况（2）威斯敏斯特教堂，见图）威斯敏斯特教堂，见图2总长总长156米，宽米，宽22米；大穹窿顶高米；大穹窿顶高31米，跨度大米，跨度大19.3m，钟楼高，钟楼高68.5米，拱脚厚度达米，

2、拱脚厚度达910mm。 （3）德国法兰克福机场的机库，采用的是）德国法兰克福机场的机库，采用的是270m100m的的双跨悬索结构双跨悬索结构，见图，见图3。图图3 德国法兰克福机场机库德国法兰克福机场机库 应用应用 公共建筑公共建筑(剧院，展览馆，体育场馆，车站等剧院，展览馆，体育场馆，车站等) 专门用途的建筑专门用途的建筑 (飞机库，汽车库等飞机库，汽车库等) 生产性建筑生产性建筑(飞机制造飞机制造厂装配车间厂装配车间，造船厂造船厂等等) 主要特点主要特点 跨度大跨度大 120m 160m(长春体育馆，网壳结构，长春体育馆，网壳结构，1998) 个性化个性化(非大量非大量建设项目建设项目，方

3、案极其个性化，方案极其个性化)大跨度结构的应用及其特点：图图2.1图图2.2图图2.3图图2.8 上海国际体操中心主体育馆上海国际体操中心主体育馆铝穹顶铝穹顶下沉式碗形气楼下沉式碗形气楼铝合金三角板铝合金三角板铝合金穹顶构架铝合金穹顶构架遮雨板遮雨板披水板披水板铝墙板以及铝墙板以及采光窗采光窗图图2.10 首都机场三号航站楼首都机场三号航站楼图图2.11 日本名古屋网壳穹顶日本名古屋网壳穹顶悬索与拱结合的结构悬索与拱结合的结构 1958年建成的美国耶鲁大学溜冰馆是典型的组合悬索结构。年建成的美国耶鲁大学溜冰馆是典型的组合悬索结构。屋盖结构由沿建筑物纵向轴竖立的中央钢筋混凝土平面大拱和屋盖结构由

4、沿建筑物纵向轴竖立的中央钢筋混凝土平面大拱和两侧的两片预应力索网组成。曲面屋盖造型极为美观，外形有两侧的两片预应力索网组成。曲面屋盖造型极为美观，外形有些象一只古怪的海龟似的甲壳动物。些象一只古怪的海龟似的甲壳动物。中央大拱的中央大拱的跨度近跨度近100m.两片索网的承重索两片索网的承重索高端锚挂在钢筋混高端锚挂在钢筋混凝土大拱上。凝土大拱上。另一端锚挂在纵另一端锚挂在纵向曲墙顶端的钢向曲墙顶端的钢筋混凝土曲梁上筋混凝土曲梁上美国耶鲁大学溜冰馆入口处美国耶鲁大学溜冰馆入口处大拱与曲梁的轴线大拱与曲梁的轴线均为平面抛物线。均为平面抛物线。大跨度建筑屋盖结构v门式刚架结构门式刚架结构v薄腹梁结构薄

5、腹梁结构v桁架结构桁架结构v拱结构拱结构v薄壳结构薄壳结构v网架结构网架结构v悬索结构悬索结构v薄膜结构薄膜结构v充气建筑结构充气建筑结构 3.4 3.4 空间杆系有限元法空间杆系有限元法 3.7 3.7 网壳网壳梁式结构：梁式结构：平面桁架、平面桁架、空间桁架空间桁架平面刚架平面刚架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平面结构体系平面结构体系空间结构体系空间结构体系v平面桁架体系和平板网架的区别：平面桁架体系和平板网架的区别：网架结构的优点网架结构的优点 1 1、多向受力的空间结构，比、多向受力的空间结构，比单向受力

6、的平面单向受力的平面桁架桁架适用跨度更大，一般可达到适用跨度更大，一般可达到30-60m30-60m； 2 2、整体性强，稳定性好，空间刚度大，具有、整体性强，稳定性好，空间刚度大，具有各向受力性能，各向受力性能，应力分布均匀应力分布均匀，节省材料；，节省材料； 3 3、网架是、网架是高次超静定结构高次超静定结构，结构安全度特别，结构安全度特别大，倘若某一构件受压屈曲，也不导致破坏；大，倘若某一构件受压屈曲，也不导致破坏； 4 4、网格型式，为屋面铺设覆盖材料和天花装、网格型式，为屋面铺设覆盖材料和天花装饰或灯具布置等提供方便。饰或灯具布置等提供方便。曲面网架（网壳）曲面网架（网壳）1、类型：

7、单层曲面网格、双层曲面网格。、类型：单层曲面网格、双层曲面网格。v工程实例曲面网架（双层、双曲）工程实例曲面网架（双层、双曲）全国最大跨度的球壳全国最大跨度的球壳漳州后石电厂球形煤仓漳州后石电厂球形煤仓加拿大加拿大1967蒙特利蒙特利尔博览会美国馆尔博览会美国馆建筑师富勒善用建筑师富勒善用三角形三角形的网架组成多面体穹窿的网架组成多面体穹窿。这种结构以较少的材料这种结构以较少的材料造成了轻质高强的屋盖，造成了轻质高强的屋盖，轻巧的覆盖了很大的空轻巧的覆盖了很大的空间。间。曲面网架（单层、双曲）曲面网架（单层、双曲）外形在纵横外形在纵横两个方向均两个方向均呈曲线形呈曲线形 v工程实例板形网架（双

8、层、单曲）工程实例板形网架（双层、单曲）高空散装法高空散装法建于建于1993年。屋盖年。屋盖222m，是世界最大的球面网壳，是世界最大的球面网壳，同时更为巧妙的是屋盖具同时更为巧妙的是屋盖具有合开性，它的球形屋盖有合开性，它的球形屋盖由由三块可旋转的扇形网壳三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿组成，扇形沿圆周导轨圆周导轨移移动，按需要可呈全封闭、动，按需要可呈全封闭、开启开启1/3或或2/3等不同状态。等不同状态。工程实例日本福冈体育馆工程实例日本福冈体育馆屋盖具有屋盖具有开合性。开合性。由三块可由三块可旋转的扇旋转的扇形网壳组形网壳组成。成。3.2.2 3.2.2 双层网架的常用形式双层网架的常

9、用形式8181米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦标高米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦标高为为10.55米，桁架高度米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为米，钢桁架沿纵向间距为27米，沿横向米，沿横向间距为间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶，由于该区屋面为屋顶花园，米，均支承在钢筋砼柱柱顶，由于该区屋面为屋顶花园，屋面活荷载按屋面活荷载按8.0KN/m2设计设计,故屋盖承重结构选用钢桁架故屋盖承重结构选用钢桁架,并且正交并且正交桁架高度相等桁架高度相等, 在纵向垂直支撑、系杆的保证作用下形成空间桁架在纵向垂直支撑、系杆的保证作用下形成空间桁架结构体系。结构体系。

10、 厦门国际会展中心厦门国际会展中心 厦门国际会展中心厦门国际会展中心 平面形状平面形状支承方式支承方式使用型式使用型式矩形矩形（长宽比（长宽比1.51.5）周边支承周边支承正放、斜放、棋盘形、正放抽空、两向正正放、斜放、棋盘形、正放抽空、两向正交斜放或正放四角锥，交斜放或正放四角锥，矩形矩形（长宽比（长宽比1.51.5）周边支承周边支承正放、正放抽空、两向正交正放、正放抽正放、正放抽空、两向正交正放、正放抽空四角锥空四角锥矩形矩形多点支承多点支承正放、正放抽空、两向正交正放网架正放、正放抽空、两向正交正放网架圆形、正六边形圆形、正六边形周边支承周边支承三向网架，三角锥或抽空三角锥网架三向网架，

11、三角锥或抽空三角锥网架200/2Lqgwok式中：式中： q qw 除网架自重外的屋面荷载标准值（除网架自重外的屋面荷载标准值（kN/m2）；）； L L2 网架短向跨度（网架短向跨度（m）；）； 系数，钢管杆件网架取系数，钢管杆件网架取1.0，型钢杆件网架取，型钢杆件网架取1.2。iiGFvEvk式中：式中： FEvki 作用在网架第作用在网架第i 节点上竖向地震作用标准值；节点上竖向地震作用标准值；Gi 网架第网架第i节点的重力荷载代表值，恒载取节点的重力荷载代表值，恒载取100%；雪；雪 载及积灰荷载取载及积灰荷载取50%，屋面活载不计入；，屋面活载不计入；v 竖向地震作用系数，按下表取

12、值：竖向地震作用系数，按下表取值：1038. 02ftEEALum式中：式中： 系数，平面内弦杆为正放时取系数，平面内弦杆为正放时取1.0，正交斜放取，正交斜放取21/2， 三向时取三向时取2.0；Am 支承平面内弦杆截面积的算术平均值；支承平面内弦杆截面积的算术平均值；杆端力向量为：杆端力向量为： T j zj yjxi zi yixeFFFFFFF杆端位移向量为：杆端位移向量为： T jjjiiiewvuwvu杆端力和位移的关系为：杆端力和位移的关系为： eeeKF 000000000000001001000000000000001001ijelEAK式中式中 lij 杆单元杆单元ij的长

13、度；的长度； E 材料的弹性模量；材料的弹性模量； A 杆单元杆单元ij的截面积。的截面积。v 设杆件设杆件ij与整体坐标与整体坐标x ，y ，z 轴夹角的余弦为轴夹角的余弦为l ，m ，n 。v 由图中所示的几何关系可得出：由图中所示的几何关系可得出： ijijijijijijlzznlyymlxxlcoscoscos222)()()(ijijijijzzyyxxlv 令分别为杆件令分别为杆件ij在整体坐标系中的节点力、节点位移和单元刚度矩阵。在在整体坐标系中的节点力、节点位移和单元刚度矩阵。在整体坐标系中和节点位移间的关系力为：整体坐标系中和节点位移间的关系力为： eeeKF eezjie

14、yjiexjiezijeyijexijezjieyjiexjiezijeyijexijeFTFFFFFFTTTTFFFFFFF22211211222222222222222222220000nllnlmnnnlmnlnnllmlnllnlmnnnlmnlnnllmlT22211211TTTTTeezjieyjiexjiezijeyijexijezjieyjiexjiezijeyijexijeFTFFFFFFTTTTFFFFFFF22211211TTT1 eeeKF eeeeeKTKTFT eeFTF eeeFTFTF T-1 eeT eeeTT T-1TTT1 2221121122222222

15、2KKKKnmnlnnmnlnmlmmnmlmllnlmlnmnlnmlmllEAKije称对 eeeKF ejijjjiijiiejiKKKKFF式（式（2 2）v式中式中 36 为为6号杆端点号杆端点3位移；位移； 3 节点节点3的位移的位移。 内外力平衡条件为汇交于同一节点的杆端内力之和等于该节点上的外荷内外力平衡条件为汇交于同一节点的杆端内力之和等于该节点上的外荷载，即：载，即： T333393837363 wvu Tz3y3x3393837363 PPPPFFFF式中式中 F F36 为为6号杆端点号杆端点3的杆端力；的杆端力； P P3 作用在节点作用在节点3的外荷载，的外荷载，P

16、x3、Py3、Pz3分别为结构整体坐标分别为结构整体坐标 x、y、z 向的荷载。向的荷载。 v 由式（由式（2 2）（）（3 3）可写出连于节点）可写出连于节点3 3的杆端力与各节点位移关系：的杆端力与各节点位移关系： 2632363363KKF 1731373373KKF 4834383383KKF 5935393393KKF将上列各式代入式（将上列各式代入式（4），整理后可得：），整理后可得： 359354834393383373363326321731PKKKKKKKK 5412333393593383483373173363263339383736KKKKKKKKFFFFv 式（式（5

17、）是节点）是节点3的内外力平衡方程，对网架中的所有节点，逐点的内外力平衡方程，对网架中的所有节点，逐点列出平衡方程，联立起来便为结构总刚度方程，其表达式为：列出平衡方程，联立起来便为结构总刚度方程，其表达式为： PK式中式中 节点位移列阵，对于本桁架节点位移列阵，对于本桁架T555333111 wvuwvuwvuP 荷载列阵，对于本例桁架荷载列阵，对于本例桁架T5z5y5x3z3y3x1z1y1x PPPPPPPPPPK 结构总刚度矩阵，空间网架每个节点有结构总刚度矩阵，空间网架每个节点有3个自由度，个自由度， 网架网架n个节点，个节点，K为为3n3n方阵。方阵。935834963363273

18、115141312111098765432115141351211104987365423211KKKKKi节点节点节点节点节点作业：作业： 一结构，网架高度2.5m，节点编号及整体坐标如图所示。EA=105kN。试建立O1杆的整体刚度矩阵。1fAN minilfAN minil式中式中 汇交于球节点任意两钢管杆件间的夹角（汇交于球节点任意两钢管杆件间的夹角（rad）；）； 组成组成 角的钢管外径；角的钢管外径；DdttdNcc223 .13400式中式中 受压空心球的轴向压力设计值（受压空心球的轴向压力设计值（N）；）； 空心球外径（空心球外径（mm）；）； 空心球壁厚（空心球壁厚（mm）；）； 钢管杆件外径（钢管杆件外径（mm）；）； 加肋承载力提高系数，不加肋取加肋承载力提高系数，不加肋取1.0，加肋取，加肋取1.4；fdtNtt55. 0式中式中 受拉空心球的轴向拉力设计值（受拉空心球的轴向拉力设计值（N）；）； 空