大跨空间钢结构

大跨空间及钢钢结构的进展展与工程应用用2012.7.30主要内容1、概述2、杂交结构及及整体张拉结结构体系（1）索穹顶结构构（2）弦支穹顶结结构（3）张弦梁或张张弦桁架结构构（4）悬吊索系结结构或斜拉结结构（5）车辐结构3、钢管结构4、树枝结构5、玻璃结构及及其支撑体系系6、拱形钢结构构7、高层钢结构构新型抗侧力力体系（1）钢板剪力墙墙的构成特点点（2）钢板墙的工工程应用及在在地震中的表表现（3）防屈曲耗能能钢板墙8、防屈曲耗能能支撑9、新型构件及及铸钢节点（1）梭形格构式式受压构件（2）腹板开洞钢钢梁及拱（3）铸钢节点10、国内大型钢钢结构工程及及其结构形式式一、概述1、大跨建筑的的概念1）大跨的界定定国家标准《钢结构设计规规范》、《网架结构设计计与施工规程程》将60m以上定义为大大跨度结构2）大跨结构的的特点（2）刚度好，抗抗震性能好。。（1）自重轻，经经济性好。（3）便于工业化化生产。（4）形式多样化化，造型美观观。（5）建筑、结构构和使用功能能的统一。一、概述2、空间结构的的概念3、空间结构的的分类所谓空间结构构是指结构形形体呈现三维维状态、荷载载作用下具有有三维受力特特性的结构体体系。（1）刚性空间结结构（2）柔性空间结结构（3）杂交结构体体系1）按空间结构构的受力特点点来划分平板网架结构构空间网壳圆屋屋顶一、概述2）按单元划分分将组成空间结结构的基本单单元归纳为五五种，即板壳壳单元、梁单单元、杆单元元、索单元和和膜单元。见图表1。单元形式结构形式板壳单元薄壳结构折板结构波纹拱结构带肋薄壳带肋折板悬挂薄壳梁单元单层网壳空腹网架空腹网壳树状结构组合网壳空腹夹层板局部双层网壳张弦梁结构拱支网壳杆单元网架结构双层网壳立体桁架张弦立体桁架斜拉网架拉索预应力网架组合网架索单元悬索结构索网结构拉索网架索桁结构悬索-桁架结构张拉整体结构索穹顶结构膜单元气承式膜结构气肋式膜结构骨架支承膜结构张拉膜结构一、概述4、空间钢结构构的发展各种类型的大大跨空间钢结结构在美、日日、欧等发达达国家发展较较快。建筑物的跨度度和规模越来来越大，跨度度超过150m以上的超大规规模建筑已非非个别；结构构形式丰富多多彩，采用许许多新材料和和新技术，发发展了许多新新的空间结构构形式。加拿大卡可里里加体育馆福冈体育馆一、概述4、空间钢结构构的发展我国的空间钢钢结构的基础础比较薄弱，，中国第一批批具有现代意意义的网壳是是在50和60年代建造的，，但数量不多多。到80～90年代大、中、、小跨度的网网架几乎已经经遍及各地。。随着国家经经济实力的增增强和社会发发展的需要，，大跨工业厂厂房、候机大大厅、会展中中心、剧院、、体育场馆等等大型工业、、公共建筑不不断涌现，空空间钢结构得得到了前所未未有的飞速发发展，并且获获得了广泛的的应用。表2列出了一些具具有代表性的的大跨空间钢钢结构工程项项目。结构类型工程项目平面尺寸（m×m）结构特征平板网架沈阳博览中心室内足球场144×204两向正交正放网架三层网架首都机场四机位机库2-153×90三边支承一边开口江南造船厂西区焊装车间60×108+60×144上层2台100t,下层4台20t柱面网壳河南鸭口电厂干棚108×90螺栓球节点三芯圆柱面双层网壳球网壳漳州后石电厂D=122.6m五座单层网壳上海科技域66.9×50.9铝合金椭圆网壳北京九华海洋巨蛋180×320高56.6m国家大剧院212×143(约)高45m(约)钢材,6500t(约)斜拉网壳杭州黄龙体育中心体育场2-244×50×3两双肢塔柱高85m,每肢9索与内环相连管桁架深圳候机场机楼（二期）悬挑50m135×174柱网18×54广州体育馆主馆160×110160m跨、径向78榀幅射桁架,预应力拉索1364根张弦梁上海浦东机场49.9+82.6+44.4+54.3上弦三根平行方管下弦高强冷拔镀锌钢丝束张弦桁架广州会展中心L=126.5m间距15m弓形支架乌鲁木器厂齐游泳馆L=80m64榀径向空间桁架,4道环向空间桁架,57个伞状膜结构上海八万人体育场288.4×274.4拉索膜结构上海科技馆漳州后石电厂厂杭州黄龙体育育中心体育场场广州体育馆主主馆乌鲁木齐石化化总厂游泳馆馆上海八万人体体育场上海浦东机场场深圳候机场机机楼（二期期）二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系杂交结构“杂交”空间结结构(HSS———HybridSpaceStructures)相对说来是一一个比较新的的名词,它是指不同类类型结构的组组合而形成的的一种新的结结构体系,以别于采用不不同材料而组组成的“组合合”结构(例如钢-砼组合网架)。杂交结构在在1986年的日本大阪阪国际会议上上曾是一个热热门话题。它它的最大优点点是:综合利用各种种不同结构在在性能、综合合经济指标等等方面的优势势;丰富建筑造型型,有效利用建筑筑空间;改善总体力学学性能等。从从美国耶鲁大大学冰球馆到到我国江西省省体育馆、北北京朝阳体育育馆、国家奥奥林匹克体育育中心综合体体育馆等,直至1992年落成的美国国96年亚特兰大百百年奥运会乔乔治亚索穹顶顶——世界上最大的的体育馆屋盖盖结构。这些些HSS的中外建筑,造型优美、气气势磅礴,给人留下深刻刻的印象,随着经济的发发展,造价已不再作作为结构形式式的唯一取舍舍标准,这种HSS融建筑的技术术与艺术于一一体的结构形形式将越来越越得到人们的的青睐。二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系1、索穹顶结构构索穹顶是一种种新型的索杆杆结构，预应应力拉索支撑撑在圆形刚性性周边构件上上，并以膜材材作为屋面。。1）索穹顶结构构的概念二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系1、索穹顶结构构1954年，由Snelson（斯内尔森））和建筑大师师Fuller（富勒）最先先提出张力集集成结构体系系的构思；1962年，Fuller获得“张拉整整体结构”专专利。1）索穹顶结构构的产生美国工程师Geiger（盖格）对实实现这种结构构思想做出了了极大的贡献献，他借鉴张张拉集成思想想并作了实质质性的推广和和发展，于1986年开发出一种种实用的大跨跨度空间结构构体系——索穹顶，其实实质是用一个个周边受压环环梁来平衡张张拉体系。汉城奥运会体体操馆太阳海岸穹顶顶索穹顶结构由由放射性脊索索、斜索和环环索组成的连连续张力索网网和不连续受受压杆，以及及中央拉环、、周边压力环环构成了Geiger型穹顶的基本本体系(图10.1)。这种结构由连连续拉索和不不连续的受压压立柱构成,并由预应力提提供刚度且与与外环梁一起起组成自平衡衡结构。荷载载均从中央的的张力环,通过一系列的的脊索、张力力索和斜索传传递至周边的的压力环。该该体系具有结结构简单,施工容易,且对施工误差差不敏感等优优点。但由于于其几何形状状类似平面桁桁架,体系平面刚度度较小,且该体系内部部存在机构,当荷载达到一一定程度时,结构会出现分分枝点失稳。。所以盖格体体系索穹顶结结构一般适用用于均布荷载载作用下的圆圆形平面屋盖盖结构。1-径向拉索;2-内拉环;3-拉索环;4-外压环;5-竖向压杆盖格体系结构构形式Levy和Jing改变了Geiger型索穹顶脊索索的布置方法法，变放射状状的脊索为三三角化联方型型布置的脊索索，增强了结结构稳定性，，减小了脊索索所需的预张张力值，而且且丰富了结构构的平面体型型，同时取消消了在薄膜铺铺设中起稳定定作用的谷索索。1-高压外环梁;2-环拉索;3-斜拉索;4-立柱;5-中央桁架利维体系结构构形式利维体系与盖盖格体系的主主要区别在于于脊索和斜索索的布置。盖盖格体系的脊脊索、斜索和和立柱均在同同一平面内,每个节点上仅仅有一根斜索索相连,脊索沿径向布布置,斜索、立柱与与其相应的脊脊索构成一竖竖向平面三角角形;利维体系的脊脊索、斜索和和立柱不在同同一平面内,而是构成立体体桁架。每个个立柱顶的节节点上有2根斜索与相邻邻内环立柱底底的节点相连连,每个节点有4根脊索,脊索网的平面面投影为四边边形或三角形形。Levy索穹顶的整体体空间作用与与Geriger索穹顶相比明明显加强，提提高了在不对对称荷载或局局部荷载作用用下的刚度和和稳定性，但但脊索出现了了网格划分不不均的问题。。佐治亚穹顶屋顶平面面与结构系统统断面利雅德大学体体育馆可开合合式索穹顶继亚特兰大索索穹顶之后,利维等人设计计并建成了位位于沙特阿拉拉伯的利雅德德大学体育馆馆,该体育馆为可可开合式的索索穹顶结构。。其与众不同同之处是采用用立体桁架作作外压力环,从而进一步展展示了索穹顶顶结构的应用用前景。图6a为索穹顶的全全景,图6b和图6c分别为其闭合合状态和开启启位置的平、、剖面图。开合式索穹顶顶:二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系1、索穹顶结构构3）索穹顶结构构的特点从经济方面来来看，索穹顶顶耗材少、施施工简单，且且平均造价不不会随结构跨跨度的增加而而明显增大，，从而使得索索穹顶结构具具有很好的经经济性。从建筑观点来来看，索穹顶顶构造轻盈、、造型别致、、色彩明快。。从结构的观点点来看，这种种结构形式较较其他结构更更为合理。二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系1、索穹顶结构构4）索穹顶结构构的应用北京建工院撑撑起国内首个个索穹顶二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系1、索穹顶结构构5）索穹顶结构构的问题从已有的工程程实践看，Geiger式的索穹顶结结构得到了广广泛的应用，，如亚特兰大大Georgia索穹顶，它具具有以下优点点。一是绝大大部分受力构构件可设计成成受拉的索，，截面受力均均匀，可充分分发挥钢索的的高强度性能能。同时，自自重可大大减减轻。其二，，受拉构件是是最稳定的，，无失稳问题题。可不考虑虑弯矩、扭矩矩和剪力的问问题。因此可可以利用较少少的材料跨越越和覆盖很大大的空间。其其三，因压杆杆数量少、长长度短，截面面选用时也容容易满足其稳稳定性条件。。其四，改变变结构刚度可可通过调节预预应力来实现现，而不必改改变构件的几几何尺寸。但但是，任何事事物都具有它它的两面性，，索穹顶结构构在拥有以上上优点的同时时，也存在以以下缺点。其其一，计算分分析难度较高高。其二，预预应力施加难难度高，成型型过程不易控控制，施工难难度高。其三三，预应力损损失影响严重重。二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系2、弦支支穹顶顶结构构1）弦支支穹顶顶结构构的概概念弦支穹穹顶结结构是是将张张拉整整体、、索穹穹顶等等柔性性结构构的概概念和和单层层网壳壳相结结合而而形成成的一一种新新型的的空间间结构构体系系。是是由连连续受受拉构构件(索或钢钢拉杆杆)和独立立受压压杆件件(撑杆)共同支支承上上部受受压结结构(或构件件)而形成成的结结构形形式。。弦支结结构的的概念念结构构本质质是用用撑杆杆连接接上部部受压压弯构构件和和下部部受拉拉构件件，通通过在在受拉拉构件件上施施加预预应力力，使使上部部结构构产生生反挠挠度，，从而而减小小荷载载作用用下的的最终终挠度度，改改善上上部构构件的的受力力形式式;并且且通通过过调调整整受受拉拉构构件件的的预预应应力力，，减减小小结结构构对对支支座座产产生生的的水水平平推推力力，，使使之之成成为为自自平平衡衡体体系系。。二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系2、弦弦支支穹穹顶顶结结构构弦支支穹穹顶顶结结构构体体系系图图二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系2、弦弦支支穹穹顶顶结结构构2）弦弦支支穹穹顶顶结结构构的的产产生生索穹穹顶顶结结构构体体系系，，这这种种结结构构是是目目前前最最合合理理、、最最轻轻型型的的大大跨跨度度结结构构体体系系，，具具有有构构思思简简单单、、形形式式简简捷捷、、结结构构性性能能优优越越等等特特点点，，最最具具代代表表性性的的例例子子是是GeogiaDome，其其跨跨度度超超过过200m，用用钢钢量量却却不不足足30kg/m2。但但是是索索穹穹顶顶结结构构必必须须借借助助预预应应力力产产生生刚刚度度，，形形成成稳稳定定承承重重结结构构体体系系，，而而且且必必须须在在周周边边支支座座设设置置强强大大的的受受压压环环梁梁以以平平衡衡拉拉索索预预应应力力。。另另外外索索的的高高预预应应力力极极大大影影响响了了非非索索结结构构构构件件，，其其费费用用昂昂贵贵且且施施工工制制作作难难度度较较大大，，影影响响了了该该结结构构的的推推广广使使用用，，并并且且由由于于专专利利技技术术保保护护，，目目前前世世界界上上的的索索穹穹顶顶工工程程都都是是由由美美国国工工程程师师设设计计和和指指导导施施工工的的。。二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系2、弦支穹穹顶结构构2）弦支穹穹顶结构构的产生生那么如何何能够更更好地利利用索穹穹顶结构构的优点点，同时时又避免免它的不不足之处处呢?日本的M．Kawaguchi教授于1993年提出了了弦支穹穹顶的概概念，该该体系由由单层网网壳、撑撑杆及预预应力索索组成，，如图10.3所示。显显而易见见，弦支支穹顶是是将索穹穹顶的上上部拉索索全部采采用刚性性构件而而构成一一单层网网壳，同同时保持持其他构构件形式式不变的的一种新新型的混混合空间间结构体体系。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系2、弦支穹穹顶结构构2）弦支穹穹顶结构构的产生生二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系2、弦支穹穹顶结构构3）弦支穹穹顶结构构的特点点弦支穹顶顶结构作作为一种种刚柔相相济的新新型复合合结构体体系，完完美地融融合了单单层网壳壳和索穹穹顶结构构的优点点，一方方面在单单层网壳壳结构的的下部引引入张拉拉整体部部分，改改善了单单层网壳壳的稳定定性，另另一方面面由于使使用单层层网壳结结构代替替了索穹穹顶的上上部索系系，大大大降低了了结构的的设计分分析难度度和施工工难度，，因此弦弦支穹顶顶自1993提出以来来，已在在国内外外十余项项大型工工程中得得到了应应用，初初步显示示了它的的应用前前景。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系2、弦支穹穹顶结构构4）弦支穹穹顶结构构的应用用M．Kawaguchi教授发明明了弦支支穹顶结结构体系系以后，，于1994年将这种种结构体体系应用用于日本本东京Hikarigaoka穹顶和Fureai穹顶，并并对后者者进行了了足尺试试验，为为今后的的工程应应用奠定定了良好好的开端端。我国国在弦支支穹顶也也进行了了一些工工程实践践，近十十余年间间，弦支支穹顶结结构已在在国内外外近二十十项大型型工程中中得到了了应用。。如昆明明柏联广广场采光光中庭，，采用椭椭球型的的弦支穹穹顶结构构体系的的鞍山羽羽毛球馆馆，天津津开发区区商务中中心大堂堂弦支穹穹顶。正正在建设设的武汉汉体育馆馆，是目目前我国国跨度最最大的弦弦支穹顶顶结构。。二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构光丘穹顶外景景施工中的光丘丘穹顶二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构聚会穹顶外景景聚会穹顶内景景二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构※昆明柏联广场场中庭采光顶顶图昆明柏柏联广场采光光弯顶拉索结结构二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构※天津港保税区区商务交流中中心大堂屋盖盖天津保税区中中心弦支穹顶顶屋盖二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构※天津博物馆图天津博物馆贵贵宾厅弦支穹穹顶结构二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构※济南奥体中心心体育馆图济南体育育馆弦支穹顶顶结构二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构※北京工业大学学体育馆图北京工业业大学体育馆馆弦支穹顶结结构二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系2、弦支穹顶结结构①弦支穹顶结构构温度效应研研究②弦支穹顶结构构节点设计研研究③弦支穹顶索滑滑移模拟研究究④超大跨度弦支支穹顶结构的的设计研究5）弦支穹顶结结构的问题⑤弦支穹顶结结构索力的测测试及其补偿偿技术研究二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系3、张弦梁或张张弦桁架结构构1）张弦梁或张张弦桁架结构构的概念张弦梁结构(BeamStringStructure，简称BSS)的概念由日本本大学M．Saitoh教授在20世纪80年代初首先提提出，给出的的定义是“用用撑杆连接抗抗弯受压构件件和抗拉构件件而形成的自自平衡体系””。二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系3、张弦梁或张张弦桁架结构构2）张弦梁结构构的受力机理理通过在下弦拉拉索中施加预预应力使上弦弦压弯构件产产生反挠度，，结构在荷载载作用下的最最终挠度得以以减少，而撑撑杆对上弦的的压弯构件提提供弹性支撑撑，改善结构构的受力性能能。二、杂交结结构及整体张张拉结构体系系3、张弦梁或张张弦桁架结构构3）张弦梁结结构的特点点张弦梁结构构中索内施施加的预应应力可以控控制刚性构构件的弯矩矩大小和分分布。同时，调整整撑杆沿跨跨度方向的的布置，还还可以控制制梁沿跨度度方向内力力的变化，，使各个截截面受力趋趋于均匀。。而且由于于刚性构件件与绷紧的的索连在一一起，限制制了整体失失稳，构件件强度可得得到充分利利用。二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系3、张弦梁或或张弦桁架架结构3）张弦梁结结构的特点点梁的内力变变化二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系3、张弦梁或或张弦桁架架结构4）张弦梁结结构的应用用由于综合应应用了刚性性构件抗弯弯刚度高和和柔性构件件抗拉强度度高的优点点，张弦梁梁结构可以以做到结构构自重相对对较轻，体体系的刚度度和形状稳稳定性相对对较大，因因而可以跨跨越很大的的空间。天城穹顶二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系3、张弦梁或或张弦桁架架结构4）张弦梁结结构的应用用浦东国际机机场的张弦弦梁结构二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系3、张弦梁或或张弦桁架架结构4）张弦梁结结构的应用用广州国际会会展中心张弦桁架结结构二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系3、张弦梁或或张弦桁架架结构5）张弦梁结结构的问题题张弦梁结构构或张弦桁桁架结构是是自平衡结结构体系，，设计的核核心问题是是根据其承承受的重力力荷载计算算出最小预预应力，并并根据反向向荷载(如风载)校核预应力力的合理取取值，即张张弦梁和桁桁架在各种种荷载工况况作用下，，其预应力力拉索不失失效。对于于张弦梁(或桁架)结构的稳定定性计算，，只要能保保证梁(或桁架)不发生平面面外失稳，，则整个张张弦梁结构构不会有面面外失稳的的可能性，，除非梁(或桁架)是下凹梁(或桁架)。如果梁或或桁架的平平面外稳定定性不能保保证，最有有效的措施施是增设平平面外支撑撑。二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系4、悬吊索系系结构或斜斜拉结构1）悬吊索系系结构或斜斜拉结构的的概念悬吊索系结结构是以悬悬吊在支座座或竖直塔塔架上的悬悬索作为承承重构件的的一种结构构形式，其其主要由主主索、稳定定索、塔架架和悬挂体体组成。主主索和稳定定索固定于于支座或周周围塔架上上。主索作作为承载索索用来承担担结构自重重和外荷载载作用；稳稳定索通过过施加一定定的预应力力用来提高高结构体系系的整体刚刚度；悬挂挂体可以为为单质点质质量块，也也可以为具具有特定用用途的一定定尺度和刚刚度的悬挂挂结构。悬吊索系结结构二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系4、悬吊索系系结构或斜斜拉结构1）悬吊索系系结构或斜斜拉结构的的概念斜拉结构则则是通过斜斜拉索给刚刚性构件（（结构）提提供一个或或多个弹性性支承点，，减小刚性性构件（结结构）受力力的跨度，，拉索另一一端则固定定于塔柱或或者其他刚刚体上，如如斜拉桁架架结构和斜斜拉桥等斜拉拉结结构构二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系4、悬悬吊吊索索系系结结构构或或斜斜拉拉结结构构图10.8北京京曲曲棍棍球球馆馆二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系4、悬悬吊吊索索系系结结构构或或斜斜拉拉结结构构图悬吊吊索索系系结结构构二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系4、悬悬吊吊索索系系结结构构或或斜斜拉拉结结构构悉尼尼会会展展中中心心二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系4、悬悬吊吊索索系系结结构构或或斜斜拉拉结结构构2）悬悬吊吊索索系系结结构构或或斜斜拉拉结结构构的的特特点点悬吊吊索索系系结结构构通通过过对对稳稳定定索索施施加加一一定定的的预预应应力力作作用用，，可可以以提提高高结结构构体体系系的的整整体体刚刚度度。。若若无无稳稳定定索索或或稳稳定定索索中中无无预预应应力力作作用用，，当当悬悬挂挂质质量量比比较较小小时时整整个个结结构构体体系系是是不不稳稳定定的的。。在在大大跨跨度度悬悬吊吊索索系系结结构构体体系系中中，，这这个个问问题题变变得得尤尤为为突突出出，，因因此此，，稳稳定定索索及及其其施施加加的的预预应应力力作作用用对对整整个个结结构构体体系系非非常常重重要要。。二、、杂杂交交结结构构及及整整体体张张拉拉结结构构体体系系4、悬悬吊吊索索系系结结构构或或斜斜拉拉结结构构3）悬吊索索系结构构或斜拉拉结构的的应用常见的斜斜拉结构构有斜拉拉钢梁（（拱）、、斜拉悬悬挑桁架架、斜拉拉网架（（壳）等等，可用用单桅杆杆或成对对桅杆。。1990年建成的的国家奥奥体中心心游泳馆馆通过70米高的塔塔斜拉117米跨度的的箱梁是是斜拉结结构在我我国最早早的应用用。1993年建成的的新加坡坡港务局局(PSA)仓库斜拉拉网架（（120米×90米）是我我国成功功建设的的项目。。近年来来，斜拉拉结构有有了较多多的应用用，譬如如，浙江江黄龙体体育中心心、新疆疆体育馆馆、长春春经济技技术开发发区体育育场等工工程均是是典型的的应用形形式。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系4、悬吊索索系结构构或斜拉拉结构美国的Arecibo望远镜的的馈源支支撑结构构体系悬吊结构构-Arecito望远镜二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系4、悬吊索索系结构构或斜拉拉结构4）悬吊索索系结构构或斜拉拉结构的的问题确定斜拉拉索系中中的预应应力水平平是斜拉拉索系结结构设计计的关键键问题，，主要包包括两项项内容，，其一是是确定各各拉索之之间预应应力水平平的比值值，该比比值视结结构形式式不同而而不同，，主要考考虑结构构或主要要受力单单元的受受力平衡衡及其合合理性。。其二是是确定预预应力的的幅值，，该值主主要由结结构的刚刚度要求求决定。。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系1）车辐结结构的概概念5、车辐结结构车辐结构构是一种种新颖的的索拱杂杂交结构构，在自自行车车车轮中，，当轮轴轴处受到到竖向荷荷载作用用时，荷荷载通过过受拉辐辐条传递递至轮箍箍，轮箍箍便发生生变形，，如图1和图2所示。部部分辐条条因缩短短而卸载载，如图图中虚线线所示；；其余辐辐条受拉拉伸长，，如图中中实线所所示。线线条越粗粗表示拉拉力越大大。受拉拉的辐条条抵抗轮轮箍的继继续变形形，提高高了轮箍箍的刚度度，称为为车辐受受力原理理。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系1）车辐辐结构构的概概念5、车辐辐结构构图1、2车辐受受力原原理示示意图图二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系1）车辐辐结构构的概概念5、车辐辐结构构将车辐辐受力力原理理引入入到拱拱结构构中，，即按按车辐辐式布布置拉拉索系系，形形成一一种索索－拱拱杂交交结构构，称称为车车辐结结构，，如图图3所示。。目前前，索索－拱拱杂交交结构构中研研究和和应用用较多多的是是斜拉拉索－－拱结结构。。与纯纯拱结结构相相比，，车辐辐结构构的刚刚度显显著提提高，，稳定定性明明显改改善，，而且且拱脚脚的水水平推推力变变得可可以调调节。。图3车辐结结构二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系2）车辐辐结构构的应应用5、车辐辐结构构车辐结结构形形式早早在20世纪五五六十十年代代在前前苏联联作为为一种种索拱拱体系系提出出，但但直到到1989年完成成的汉汉堡历历史博博物馆馆庭院院的玻玻璃屋屋顶(如图4所示)中才得得到应应用。。二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系5、车辐辐结构构图4汉堡历历史博博物馆馆二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系5、车辐辐结构构图伦敦航航空眼眼（D=135m）二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系3）车辐辐结构构的问问题5、车辐辐结构构车辐结结构设设计中中一个个重要要的问问题是是其选选型问问题。。除了了纯拱拱设计计中包包含的的拱的的跨度度、矢矢跨比比、轴轴线形形式和和截面面形式式等，，还包包括拉拉索的的数量量、索索盘位位置、、辐射射形式式等。。车辐结结构设设计的的核心心问题题是其其稳定定性的的计算算，涉涉及到到稳定定承载载力的的确定定及刚刚度的的控制制要求求。通通过非非线性性设计计可以以很好好的解解决这这一问问题，，关于于它们们性能能研究究和设设计理理论，，可参参见清清华大大学的的研究究成果果。三、钢钢管结结构1、钢管管结构构的概概念近20年来，钢管管结构在国国内外得到到了迅猛发发展，在现现代工业厂厂房、仓库库、体育馆馆、展览馆馆、会场、、航站楼、、车站及办办公楼、宾宾馆等建筑筑物中得到到广泛应用用。由于它它的良好性性能，在国国内外应用用较多且越越来越广泛泛，见图10.16至图10.18。图10.16广州新白云云机场航站站楼图10.17南京站新建建无站台柱柱雨棚三、钢管结结构1、钢管结构构的概念广州市新中中轴线电视视塔日日本大阪机机场航站楼楼图10.18钢管结构三、钢管结结构1、钢管结构构的概念目前工程中中使用的钢钢管结构可可按截面形形状、结构构形式和制制作方法进进行分类。。按截面形式式，钢管结结构可分为为圆管结构构（CHS）、方（矩矩）形管结结构（RHS）和其他形形状三类。。由于在外外表和受力力性能方面面的优越性性，圆管结结构和方管管结构的应应用最广。。按结构形式式来分，钢钢管结构可可分为网架架（网壳））、桁架、、框架和钢钢管混凝土土结构四种种。钢管结结构形式是是指采用圆管和方管作构件，管管与管之间间通过相贯贯焊接连接接的形式。。按制作方法法来分，钢钢管结构可可分为热轧轧钢管结构构、冷轧钢钢管结构、、焊接钢管管结构三种种。热轧钢钢管壁厚较较厚、制作作成本高，，冷轧钢管管壁厚相对对较薄。三、钢管结结构2、钢管结构构的特点一、相比于于普通开口口截面形式式的型钢而而言，圆管管和方（矩矩）形截面面具有表面面平整、无无死角和外外表面积小小等特点，，这样有利利于节省防防腐和防火火涂料，便便于除尘。。二、钢管截截面的风阻阻力系数小小，应用于于暴露在流流体（如风风、水流））中时有着着显著的优优点。三、钢管结结构的内部部空间可利利用。例如如填充混凝凝土（钢管管混凝土结结构），不不仅能提高高构件的承承载力，而而且还能延延长构件的的耐火极限限（平均可可达2小时）；管管内注水，，可利用内内部水循环环进行防火火。四、管内能能够传输液液体，目前前已根据该该特点开发发了输油管管桥、排雨雨水管等。。五、管内还还可以放预预应力索，，施加体内内预应力三、钢管结结构3、钢管结构构的应用钢管结构构中的管管桁架结结构以它它独特的的优势受受到人们们的青睐睐。在体体育馆、、航站楼楼、会展展中心，，娱乐中中心等大大跨度设设施中得得到了广广泛的应应用。管桁架，，是指用用圆杆件件在端部部相互连连接而组组成的格格子式结结构。管桁架，，是指用用圆杆件件在端部部相互连连接而组组成的格格子式结结构。桁架是指指由杆件件在端部部相互连连接而组组成的格格子式结结构，管管桁架即即是指结结构中的的杆件均均为圆管管杆件。。三、钢管管结构3、钢管结结构的应应用三明市体体育场馆馆三、钢管管结构4、钢管结结构的问问题管节点设设计在管管结构设设计中占占有非常常重要的的地位，，它包括括管节点点局部应应力应变变分析、、失效机机制研究究、弹塑塑性分析析、设计计参数研研究、作作用荷载载和支管管约束的的影响、、疲劳寿寿命等非非常广泛泛的课题题。管桁架的的稳定性性计算也也是管结结构设计计中的核核心内容容，包括括单根构构件的稳稳定性计计算和整整体结构构平面外外的稳定定性计算算，特别别对于大大跨度的的管桁架架结构或或管桁架架拱形结结构，其其平面外外整体稳稳定性的的计算不不可忽视视。四、树枝枝结构1、树枝结结构的概概念树状结构构是近年年来采用用的一种种新结构构，它实实际上是是一种多多级分枝枝的立柱柱支承结结构，主主杆和枝枝杆均可可由梁单单元集成成，枝杆杆顶端与与屋盖结结构相连连，可减减小屋盖盖结构的的跨度、、降低结结构内力力。四、树枝枝结构2、树枝结结构的特特点①结构有有规律地地分叉，，由一点点或几点点向空间间伸展，，形状恰恰似树枝枝；②构件多多采用圆圆钢管，，具有良良好的空空间受力力性能；；节点多多采用铸铸钢节点点，具有有较高的的强度；；③枝叉顶顶端与屋屋面结构构连接，，构成整整体受力力；④屋盖多多采用轻轻型屋面面体系。。四、树枝枝结构3、树枝结结构的应应用新颖的仿仿植物外外形，使使得树枝枝结构被被应用于于航空港港、车站站、码头头、展览览馆、厂厂房等结结构中。。四、树枝枝结构3、树枝结结构的应应用四、树枝枝结构4、树枝结结构的问问题树枝结构构的应用用先于其其理论研研究的步步伐。虽虽然一些些在国外外和国内内有影响响的树枝枝结构已已经建成成，丰富富了结构构类型，，给人以以美的享享受。但但是作为为一个结结构体系系的研究究还不够够完善，，其最优优布置形形式、分分叉形式式、稳定定性能、、节点性性能都还还没有系系统的研研究成果果，清华华大学在在这方面面的研究究工作有有一定的的进展。。五、玻璃结构构及其支承体体系1、玻璃结构的的概念按支承结构分分类：主体结构点支支承玻璃幕墙墙、钢结构点点支承玻璃幕幕墙、索杆结结构点支承玻玻璃幕墙、自自平衡索桁架架点支承玻璃璃幕墙、玻璃璃肋支承点支支承玻璃幕墙墙。按玻璃面板支支承形式分类类：四点支承、六六点支承、多多点支承、托托板支承、夹夹板支承。2、玻璃结构的的分类点式玻璃幕墙墙它的全称为为金属支承结结构点式玻璃璃幕墙。由玻玻璃面板、点点支承装置和和支承结构构构成的建筑玻玻璃幕墙。五、玻璃结构构及其支承体体系3、玻璃结构的的结构支承体体系常用的结构支支承体系可以以分为下面几几类：①单杆构件或或钢桁架支承承体系；②索桁结构支支撑体系；③拉索(杆)桁架支承体系系；④单索网格支支撑体系等。。其中，拉索(杆)结构支承体系系在现在的点点支承玻璃幕幕墙中得到了了广泛的应用用。五、玻璃结构构及其支承体体系五、玻璃结构构及其支承体体系4、点支承玻璃璃幕墙特性①通透性好②灵活性好③安全性好④工艺感好⑤环保节能性性好六、拱形钢结结构1、拱形钢结构构的形式①实腹式截面拱拱形钢结构；；②腹板开洞(孔)的实腹式截面面拱形钢结构构；③管桁架式拱拱形钢结构。。钢结构拱由于于其自重轻，，特别在全跨跨荷载作用下下具有良好的的受力特性，，更适合于大大跨度结构，，但在偏跨荷荷载作用下其其刚度较弱。。与钢结构直直构件相比，，钢结构拱表表现出的稳定定问题十分突突出而且相当当复杂，常常常是拱结构设设计的控制因因素。2、拱形钢结构构的特性六、拱形钢结结构3、拱形钢结构构的应用图10.25腹板开洞的工工形截面10.26金昌机场航站站楼玻璃结构在我我国大量兴建建，建筑师为为了追求通透透的效果，愈愈来愈多地采采用了开洞的的实腹式拱形形结构或构件件。六、拱形钢结结构3、拱形钢结构构的应用桁架拱形结构构广泛地应用用于大跨度结结构中，如体体育馆、会展展中心、航站站楼等。图桁架拱结构六、拱形钢结结构4、拱形钢结构构的问题拱形钢结构都都存在平面内内极值点失稳稳、平面内二二次分岔失稳稳及平面外失失稳三种可能能性，它们构构成了拱形钢钢结构稳定性性计算和设计计理论的核心心内容。但是是，由于拱形形结构的轴线线呈曲线变化化，其失稳模模式呈多样性性和不确定性性，给其稳定定问题的计算算带来了一定定的难度，致致使人们对拱拱形钢结构在在大挠度弹塑塑性范围内的的失稳机理及及稳定极限承承载力的研究究工作大大滞滞后，至今没没有形成成熟熟且完整的稳稳定性设计理理论和计算方方法；在拱结结构设计中，，设计人员更更多的是验算算拱形钢结构构的强度和刚刚度，忽略了了拱形结构稳稳定性的计算算，即使进行行面内稳定性性计算，也往往往是在线弹弹性范围内，，很难考虑材材料的弹塑性性及初试缺陷陷的影响；平平面外的稳定定性更是没有有合理的计算算和评价方法法。七、高高层层钢结结构新新型抗抗侧力力体系系——钢板剪剪力墙墙1、钢板板剪力力墙的的概念念钢板剪剪力墙墙结构构指在在钢框框架结结构基基础上上为提提高结结构刚刚度及及抗震震性能能而在在部分分框架架梁柱柱间内内填钢钢板的的结构构。钢板墙墙的组组成示示意图图七、高高层层钢结结构新新型抗抗侧力力体系系——钢板剪剪力墙墙1、钢板板剪力力墙的的概念念加拿大大钢结结构设设计规规范CSAS16-01定义：：钢板剪剪力墙墙是一一种有有横向向加劲劲的墙墙板，，用以以在结结构中中抵抗抗侧力力。柱柱子作作为墙墙板的的翼缘缘构件件，框框架梁梁作为为墙板板的横横向加加劲。。薄钢钢板与与其周周围的的梁柱柱在各各层连连接构构成内内填板板构件件。内内填板板周边边约束束梁柱柱分别别简称称为周周边柱柱、周周边梁梁，非非内填填板约约束构构件称称为框框架梁梁、框框架柱柱。七、高高层层钢结结构新新型抗抗侧力力体系系——钢板剪剪力墙墙2、钢板板剪力力墙的的分类类（1）无加加劲钢钢板剪剪力墙墙；（2）加劲劲板钢钢板剪剪力墙墙；（3）开缝缝钢板板剪力力墙；；（4）钢板板-混凝土土组合合剪力力墙。。a)无加劲劲钢板板剪力力墙b)加劲钢钢板剪剪力墙墙七、高高层层钢结结构新新型抗抗侧力力体系系——钢板剪剪力墙墙2、钢板板剪力力墙的的分类类c)带缝钢钢板剪剪力墙墙d)组合钢钢板剪剪力墙墙图1.1钢板板剪剪力力墙墙分分类类七、、高高层层钢钢结结构构新新型型抗抗侧侧力力体体系系———钢板板剪剪力力墙墙2、钢钢板板剪剪力力墙墙的的分分类类图1.2无加加劲劲钢钢板板剪剪力力墙墙七、、高高层层钢钢结结构构新新型型抗抗侧侧力力体体系系———钢板板剪剪力力墙墙3、钢钢板板剪剪力力墙墙的的特特点点①抗抗震震性性能能良良好好②结结构构自自重重轻轻③施施工工速速度度快快④钢钢板板墙墙体体无无需需布布满满整整个个梁梁跨跨，，这这样样可可以以非非常常方方便便地地在在需需要要的的地地方方开开门门、、窗窗洞洞口口置置在在门门窗窗洞洞之之间间，，克克服服一一般般斜斜撑撑对对门门窗窗洞洞产产生生的的遮遮挡挡。。⑤本本身身厚厚度度小小，，即即使使加加上上防防火火、、保保温温涂涂层层，，其其体体积积也也远远小小于于钢钢筋筋混混凝凝土土墙墙体体，，占占用用建建筑筑面面积积小小七、、高高层层钢钢结结构构新新型型抗抗侧侧力力体体系系———钢板板剪剪力力墙墙4、钢钢板板剪剪力力墙墙在在国国内内外外工工程程应应用用及及在在地地震震中中的的表表现现钢板板墙墙已已成成为为一一种种非非常常具具有有发发展展前前景景的的高高层层抗抗侧侧力力体体系系，，尤尤其其适适用用于于高高烈烈度度地地震震区区建建筑筑。。1970年建建于于日日本本京京都都的的NIPPONSTEELBUILDING是世世界界第第一一栋栋钢钢板板剪剪力力墙墙结结构构建建筑筑。。近年来在在国内也也得到了了诸多研研究者的的关注，，并在北北京国贸贸大厦三三期工程程，天津津市津塔塔工程等等大型项项目中得得到了应应用，有有着独特特优势并并有良好好发展前前景。七、高高层钢结结构新型型抗侧力力体系——钢板剪力力墙4、钢板剪剪力墙在在国内外外工程应应用及在在地震中中的表现现图1.3北京国贸贸三期工工程施工工及钢板板剪力墙墙布置[2]七、高高层钢结结构新型型抗侧力力体系——钢板剪力力墙4、钢板剪剪力墙在在国内外外工程应应用及在在地震中中的表现现图1.4天津津塔塔大厦效效果图及及分析模模型（ABAQUS/EXPLICIT）七、高高层钢结结构新型型抗侧力力体系——钢板剪力力墙应用钢板板剪力墙墙结构的的部分建建筑名称层数完工日期建设地点备注Nippon201970日本京都

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七、高高层钢结结构新型型抗侧力力体系——钢板剪力力墙4、钢板剪剪力墙在在国内外外工程应应用及在在地震中中的表现现图10.30为在建的的位于洛洛杉矶51层高的建建筑。该该建筑采采用钢板板墙作为为主要抗抗侧力体体系。我国44层的上海海新锦江江饭店核核心筒也也采用了了钢板墙墙结构，，其钢板板厚为100mm。七、高层层钢结构新新型抗侧力力体系——钢板剪力墙墙4、钢板剪力力墙在国内内外工程应应用及在地地震中的表表现采用钢板墙墙的建筑已已经历过实实际的地震震考验并且且有着良好好的表现。。最为成功的的一例是神神户的一幢幢35层129.4m高的大楼(KobeCityHall，图10.31后图)，该楼于1988年建成，经经受了1995年阪神大地地震。七、高层层钢结构新新型抗侧力力体系——钢板剪力墙墙5、钢板剪力力墙的问题题钢板剪力墙墙结构虽然然已经很多多投入工程程应用，但但其结构的的整体抗震震性能却由由于问题的的复杂性和和分析的困困难性，基基本没有得得到系统研研究。虽然然研究者们们对钢板剪剪力墙构件件的抗震性性能及其影影响因素研研究的较为为成熟全面面，但对整整体结构的的动力特性性及其在地地震作用下下的受力与与变形特征征、水平地地震剪力分分配特征、、结构耗能能机理的认认识基本上上还处于空空白状态，，需要进行行系统研究究与总结。。八、防屈曲曲耗能支撑撑1、防屈曲耗耗能支撑的的概念为解决普通通支撑受压压屈曲以及及滞回性能能差的问题题，在支撑撑外部套管管，抑制支支撑的受压压屈曲，构构成防屈曲曲耗能支撑撑防屈曲耗能能支撑的构构成八、防屈曲曲耗能支撑撑2、防屈曲耗耗能支撑的的构造防屈曲耗能能支撑在构构造上由核核心单元和和外围约束束单元两个个基本部件件组成，二二者之间由由无粘结涂涂层隔开，，如图10.32所示。核心心单元有一一字板形、、十字板形形、丁字形形以及矩形形等多种形形式，他们们通常采用用低屈服点点钢材(如日本采用用LYl00和LY225)，以保证内核核在塑性范范围内有足足够的延性性及变形能能力；外围围约束单元元由矩形或或圆形钢管管及内填的的细石混凝凝土组成；；二者组合合可构成多多种不同的的截面形式式，图10.33给出了其中中的几种。。八、防屈曲曲耗能支撑撑2、防屈曲耗耗能支撑的的构造八、防屈曲曲耗能支撑撑3、防屈曲耗耗能支撑的的受力机理理轴向拉力和和压力仅由由核心单元元承受．为为避免核心心单元轴压压时发生屈屈曲，利用用外围约束束单元提供供侧向约束束；为了确确保外围单单元不传递递轴向荷载载且又保持持有效约束束，需要在在核心单元元与约束单单元间设置置隔绝层。。内核单元元仅与框架架梁连接，，从而保证证压力和拉拉力只由内内核单元承承受。八、防屈曲曲耗能支撑撑4、防屈曲耗耗能支撑的的应用防屈曲耗能能支撑在日日本和美国国有广泛的的应用市场场，可以应应用在已建建结构及新新建结构中中，图10.34是防屈曲耗耗能支撑在在日本某工工程中的应应用。八、防屈曲曲耗能支撑撑4、防屈曲耗耗能支撑的的应用1994年北岭地震震后，美国国开始对防防屈曲耗能能支撑体系系进行研究究，到目前前为止，已已经建成或或正在建造造的使用此此支撑的结结构达30余栋。目前前美国大多多数使用防防屈曲耗能能支撑的建建筑物都在在美国西部部（加州最最多）。大陆地区正正在建设的的北京威盛盛大厦和北北京银泰中中心大厦也也开始使用用了防屈曲曲耗能支撑撑，并进行行了相关的的抽样检测测和试验研研究，西部部机电科技技商务中心心钢结构工工程采用日日本新日铁铁株式会社社的无粘结结支撑，并并进行了弹弹塑性地震震时程响应应分析。八、防屈曲曲耗能支撑撑4、防屈曲耗耗能支撑的的应用图9银泰中心建建筑北立面面图图图10银泰中心防防屈曲支撑撑的安装九、新型构构件及铸钢钢节点1、梭形格构构式受压构构件1）梭形格构构式受压构构件的概念念格构柱：属于压弯构构件，多用用于厂房框框架柱和独独立柱，优优点在于很很好的节约约材料；截截面一般为为型钢或钢钢板设计成成双轴对称称或单轴对对称的截面面。格构体体系构件由由肢件和缀缀材组成。。格构柱可可能是主要要的应用形形式，有缀缀条柱和缀缀板柱。格格构柱的主主要思想是是：将材料料面积向距距离惯性轴轴远的地方方布置，能能保证相同同轴向抗力力条件下增增强构件抗抗弯性能，，并且节省省材料。九、新型构构件及铸钢钢节点1、梭形格构构式受压构构件2）梭形格构构式受压构构件的形式式梭形柱主要要作为受压压承重构件件，可分为为实腹式梭梭形构件和和格构式梭梭形构件；；实腹式梭梭形构件以以圆钢管、、方形钢管管和十字形形居多，格格构式梭形形构件大多多由圆钢管管组成，有有两肢、三三肢及多肢肢梭形格构构柱；梭形形柱建筑造造型新颖，，稳定性承承载力高，，是建筑与与结构的完完美结合；；但是，梭梭形柱制作作工艺较复复杂，加工工费用高。。九、新型构构件及铸钢钢节点1、梭形格构构式受压构构件3）梭形格构构式受压