大跨空间钢结构

大跨空间及钢结构的进展与工程应用2012.7.30主要内容1、概述2、杂交结构及整体张拉结构体系（1）索穹顶结构（2）弦支穹顶结构（3）张弦梁或张弦桁架结构（4）悬吊索系结构或斜拉结构（5）车辐结构3、钢管结构4、树枝结构5、玻璃结构及其支撑体系6、拱形钢结构7、高层钢结构新型抗侧力体系（1）钢板剪力墙的构成特点（2）钢板墙的工程应用及在地震中的表现（3）防屈曲耗能钢板墙8、防屈曲耗能支撑9、新型构件及铸钢节点（1）梭形格构式受压构件（2）腹板开洞钢梁及拱（3）铸钢节点10、国内大型钢结构工程及其结构形式一、概述1、大跨建筑的概念1）大跨的界定国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结构2）大跨结构的特点（2）刚度好，抗震性能好。（1）自重轻，经济性好。（3）便于工业化生产。（4）形式多样化，造型美观。（5）建筑、结构和使用功能的统一。一、概述2、空间结构的概念3、空间结构的分类所谓空间结构是指结构形体呈现三维状态、荷载作用下具有三维受力特性的结构体系。（1）刚性空间结构（2）柔性空间结构（3）杂交结构体系1）按空间结构的受力特点来划分平板网架结构空间网壳圆屋顶一、概述2）按单元划分将组成空间结构的基本单元归纳为五种，即板壳单元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元。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、空间钢结构的发展各种类型的大跨空间钢结构在美、日、欧等发达国家发展较快。建筑物的跨度和规模越来越大，跨度超过150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。加拿大卡可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)。这种结结构由由连续续拉索索和不不连续续的受受压立立柱构构成,并由预预应力力提供供刚度度且与与外环环梁一一起组组成自自平衡衡结构构。荷荷载均均从中中央的的张力力环,通过一一系列列的脊脊索、、张力力索和和斜索索传递递至周周边的的压力力环。。该体体系具具有结结构简简单,施工容容易,且对施施工误误差不不敏感感等优优点。。但由由于其其几何何形状状类似似平面面桁架架,体系平平面刚刚度较较小,且该体体系内内部存存在机机构,当荷载载达到到一定定程度度时,结构会会出现现分枝枝点失失稳。。所以以盖格格体系系索穹穹顶结结构一一般适适用于于均布布荷载载作用用下的的圆形形平面面屋盖盖结构构。1-径向拉拉索;2-内拉环环;3-拉索环环;4-外压环环;5-竖向压压杆盖格体体系结结构形形式Levy和Jing改变了了Geiger型索穹穹顶脊脊索的的布置置方法法，变变放射射状的的脊索索为三三角化化联方方型布布置的的脊索索，增增强了了结构构稳定定性，，减小小了脊脊索所所需的的预张张力值值，而而且丰丰富了了结构构的平平面体体型，，同时时取消消了在在薄膜膜铺设设中起起稳定定作用用的谷谷索。。1-高压外外环梁梁;2-环拉索索;3-斜拉索索;4-立柱;5-中央桁桁架利维体体系结结构形形式利维体体系与与盖格格体系系的主主要区区别在在于脊脊索和和斜索索的布布置。。盖格格体系系的脊脊索、、斜索索和立立柱均均在同同一平平面内内,每个节节点上上仅有有一根根斜索索相连连,脊索沿沿径向向布置置,斜索、、立柱柱与其其相应应的脊脊索构构成一一竖向向平面面三角角形;利维体体系的的脊索索、斜斜索和和立柱柱不在在同一一平面面内,而是构构成立立体桁桁架。。每个个立柱柱顶的的节点点上有有2根斜索索与相相邻内内环立立柱底底的节节点相相连,每个节节点有有4根脊索索,脊索网网的平平面投投影为为四边边形或或三角角形。。Levy索穹顶顶的整整体空空间作作用与与Geriger索穹顶顶相比比明显显加强强，提提高了了在不不对称称荷载载或局局部荷荷载作作用下下的刚刚度和和稳定定性，，但脊脊索出出现了了网格格划分分不均均的问问题。。佐治亚亚穹顶屋屋顶平平面与与结构构系统统断面面利雅德德大学学体育育馆可可开合合式索索穹顶顶继亚特特兰大大索穹穹顶之之后,利维等等人设设计并并建成成了位位于沙沙特阿阿拉伯伯的利利雅德德大学学体育育馆,该体育育馆为为可开开合式式的索索穹顶顶结构构。其其与众众不同同之处处是采采用立立体桁桁架作作外压压力环环,从而进进一步步展示示了索索穹顶顶结构构的应应用前前景。。图6a为索穹穹顶的的全景景,图6b和图6c分别为为其闭闭合状状态和和开启启位置置的平平、剖剖面图图。开合式式索穹穹顶:二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系1、索穹穹顶结结构3）索穹穹顶结结构的的特点点从经济济方面面来看看，索索穹顶顶耗材材少、、施工工简单单，且且平均均造价价不会会随结结构跨跨度的的增加加而明明显增增大，，从而而使得得索穹穹顶结结构具具有很很好的的经济济性。。从建筑筑观点点来看看，索索穹顶顶构造造轻盈盈、造造型别别致、、色彩彩明快快。从结构构的观观点来来看，，这种种结构构形式式较其其他结结构更更为合合理。。二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系1、索穹穹顶结结构4）索穹穹顶结结构的的应用用北京建建工院院撑起起国内内首个个索穹穹顶二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系1、索穹穹顶结结构5）索穹穹顶结结构的的问题题从已有有的工工程实实践看看，Geiger式的索索穹顶顶结构构得到到了广广泛的的应用用，如如亚特特兰大大Georgia索穹顶顶，它它具有有以下下优点点。一一是绝绝大部部分受受力构构件可可设计计成受受拉的的索，，截面面受力力均匀匀，可可充分分发挥挥钢索索的高高强度度性能能。同同时，，自重重可大大大减减轻。。其二二，受受拉构构件是是最稳稳定的的，无无失稳稳问题题。可可不考考虑弯弯矩、、扭矩矩和剪剪力的的问题题。因因此可可以利利用较较少的的材料料跨越越和覆覆盖很很大的的空间间。其其三，，因压压杆数数量少少、长长度短短，截截面选选用时时也容容易满满足其其稳定定性条条件。。其四四，改改变结结构刚刚度可可通过过调节节预应应力来来实现现，而而不必必改变变构件件的几几何尺尺寸。。但是是，任任何事事物都都具有有它的的两面面性，，索穹穹顶结结构在在拥有有以上上优点点的同同时，，也存存在以以下缺缺点。。其一一，计计算分分析难难度较较高。。其二二，预预应力力施加加难度度高，，成型型过程程不易易控制制，施施工难难度高高。其其三，，预应应力损损失影影响严严重。。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1）弦支穹穹顶结构构的概念念弦支穹顶顶结构是是将张拉拉整体、、索穹顶顶等柔性性结构的的概念和和单层网网壳相结结合而形形成的一一种新型型的空间间结构体体系。是是由连续续受拉构构件(索或钢拉拉杆)和独立受受压杆件件(撑杆)共同支承承上部受受压结构构(或构件)而形成的的结构形形式。弦支结构构的概念念结构本本质是用用撑杆连连接上部部受压弯弯构件和和下部受受拉构件件，通过过在受拉拉构件上上施加预预应力，，使上部部结构产产生反挠挠度，从从而减小小荷载作作用下的的最终挠挠度，改改善上部部构件的的受力形形式;并且通过过调整受受拉构件件的预应应力，减减小结构构对支座座产生的的水平推推力，使使之成为为自平衡衡体系。。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系2、弦支穹穹顶结构构弦支穹顶顶结构体体系图二、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索穹顶结结构体系系，这种种结构是是目前最最合理、、最轻型型的大跨跨度结构构体系，，具有构构思简单单、形式式简捷、、结构性性能优越越等特点点，最具具代表性性的例子子是GeogiaDome，其跨度度超过200m，用钢量量却不足足30kg/m2。但是索索穹顶结结构必须须借助预预应力产产生刚度度，形成成稳定承承重结构构体系，，而且必必须在周周边支座座设置强强大的受受压环梁梁以平衡衡拉索预预应力。。另外索索的高预预应力极极大影响响了非索索结构构构件，其其费用昂昂贵且施施工制作作难度较较大，影影响了该该结构的的推广使使用，并并且由于于专利技技术保护护，目前前世界上上的索穹穹顶工程程都是由由美国工工程师设设计和指指导施工工的。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、弦支穹穹顶结构构光丘穹顶顶外景施工中的的光丘穹穹顶二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系2、弦支穹穹顶结构构聚会穹顶顶外景聚会穹顶顶内景二、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※昆明柏联联广场中中庭采光光顶图昆昆明柏联联广场采采光弯顶顶拉索结结构二、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※天津港保保税区商商务交流流中心大大堂屋盖盖天津保税税区中心心弦支穹穹顶屋盖盖二、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※天津博物物馆图天津博物物馆贵宾宾厅弦支支穹顶结结构二、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※济南奥体体中心体体育馆图济南南体育馆馆弦支穹穹顶结构构二、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※北京工业业大学体体育馆图北京京工业大大学体育育馆弦支支穹顶结结构二、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①弦支穹顶顶结构温温度效应应研究②弦支穹顶顶结构节节点设计计研究③弦支穹顶顶索滑移移模拟研研究④超大跨度度弦支穹穹顶结构构的设计计研究5）弦支穹穹顶结构构的问题题⑤弦支穹穹顶结构构索力的的测试及及其补偿偿技术研研究二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系3、张弦梁梁或张弦弦桁架结结构1）张弦梁梁或张弦弦桁架结结构的概概念张弦梁结结构(BeamStringStructure，简称BSS)的概念由由日本大大学M．Saitoh教授在20世纪80年代初首首先提出出，给出出的定义义是“用用撑杆连连接抗弯弯受压构构件和抗抗拉构件件而形成成的自平平衡体系系”。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系3、张弦梁梁或张弦弦桁架结结构2）张弦梁梁结构的的受力机机理通过在下下弦拉索索中施加加预应力力使上弦弦压弯构构件产生生反挠度度，结构构在荷载载作用下下的最终终挠度得得以减少少，而撑撑杆对上上弦的压压弯构件件提供弹弹性支撑撑，改善善结构的的受力性性能。二、杂杂交结构构及整体体张拉结结构体系系3、张弦弦梁或或张弦弦桁架架结构构3）张弦弦梁结结构的的特点点张弦梁梁结构构中索索内施施加的的预应应力可可以控控制刚刚性构构件的的弯矩矩大小小和分分布。。同时，，调整整撑杆杆沿跨跨度方方向的的布置置，还还可以以控制制梁沿沿跨度度方向向内力力的变变化，，使各各个截截面受受力趋趋于均均匀。。而且且由于于刚性性构件件与绷绷紧的的索连连在一一起，，限制制了整整体失失稳，，构件件强度度可得得到充充分利利用。。二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系3、张弦弦梁或或张弦弦桁架架结构构3）张弦弦梁结结构的的特点点梁的内内力变变化二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系3、张弦弦梁或或张弦弦桁架架结构构4）张弦弦梁结结构的的应用用由于综综合应应用了了刚性性构件件抗弯弯刚度度高和和柔性性构件件抗拉拉强度度高的的优点点，张张弦梁梁结构构可以以做到到结构构自重重相对对较轻轻，体体系的的刚度度和形形状稳稳定性性相对对较大大，因因而可可以跨跨越很很大的的空间间。天城穹穹顶二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系3、张弦弦梁或或张弦弦桁架架结构构4）张弦弦梁结结构的的应用用浦东国国际机机场的的张弦弦梁结结构二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系3、张弦弦梁或或张弦弦桁架架结构构4）张弦弦梁结结构的的应用用广州国国际会会展中中心张弦桁桁架结结构二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系3、张弦弦梁或或张弦弦桁架架结构构5）张弦弦梁结结构的的问题题张弦梁梁结构构或张张弦桁桁架结结构是是自平平衡结结构体体系，，设计计的核核心问问题是是根据据其承承受的的重力力荷载载计算算出最最小预预应力力，并并根据据反向向荷载载(如风载载)校核预预应力力的合合理取取值，，即张张弦梁梁和桁桁架在在各种种荷载载工况况作用用下，，其预预应力力拉索索不失失效。。对于于张弦弦梁(或桁架架)结构的的稳定定性计计算，，只要要能保保证梁梁(或桁架架)不发生生平面面外失失稳，，则整整个张张弦梁梁结构构不会会有面面外失失稳的的可能能性，，除非非梁(或桁架架)是下凹凹梁(或桁架架)。如果果梁或或桁架架的平平面外外稳定定性不不能保保证，，最有有效的的措施施是增增设平平面外外支撑撑。二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系4、悬吊吊索系系结构构或斜斜拉结结构1）悬吊吊索系系结构构或斜斜拉结结构的的概念念悬吊索索系结结构是是以悬悬吊在在支座座或竖竖直塔塔架上上的悬悬索作作为承承重构构件的的一种种结构构形式式，其其主要要由主主索、、稳定定索、、塔架架和悬悬挂体体组成成。主主索和和稳定定索固固定于于支座座或周周围塔塔架上上。主主索作作为承承载索索用来来承担担结构构自重重和外外荷载载作用用；稳稳定索索通过过施加加一定定的预预应力力用来来提高高结构构体系系的整整体刚刚度；；悬挂挂体可可以为为单质质点质质量块块，也也可以以为具具有特特定用用途的的一定定尺度度和刚刚度的的悬挂挂结构构。悬吊索索系结结构二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系4、悬吊吊索系系结构构或斜斜拉结结构1）悬吊吊索系系结构构或斜斜拉结结构的的概念念斜拉结结构则则是通通过斜斜拉索索给刚刚性构构件（（结构构）提提供一一个或或多个个弹性性支承承点，，减小小刚性性构件件（结结构））受力力的跨跨度，，拉索索另一一端则则固定定于塔塔柱或或者其其他刚刚体上上，如如斜拉拉桁架架结构构和斜斜拉桥桥等斜拉结结构二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系4、悬吊吊索系系结构构或斜斜拉结结构图10.8北京曲曲棍球球馆二、杂杂交交结构构及整整体张张拉结结构体体系4、悬吊吊索系系结构构或斜斜拉结结构图悬吊索索系结结构二、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悉尼会展中中心二、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2）悬吊索系系结构或斜斜拉结构的的特点悬吊索系结结构通过对对稳定索施施加一定的的预应力作作用，可以以提高结构构体系的整整体刚度。。若无稳定定索或稳定定索中无预预应力作用用，当悬挂挂质量比较较小时整个个结构体系系是不稳定定的。在大大跨度悬吊吊索系结构构体系中，，这个问题题变得尤为为突出，因因此，稳定定索及其施施加的预应应力作用对对整个结构构体系非常常重要。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3）悬吊索系系结构或斜斜拉结构的的应用常见的斜拉拉结构有斜斜拉钢梁（（拱）、斜斜拉悬挑桁桁架、斜拉拉网架（壳壳）等，可可用单桅杆杆或成对桅桅杆。1990年建成的国国家奥体中中心游泳馆馆通过70米高的塔斜斜拉117米跨度的箱箱梁是斜拉拉结构在我我国最早的的应用。1993年建成的新新加坡港务务局(PSA)仓库斜拉网网架（120米×90米）是我国国成功建设设的项目。。近年来，，斜拉结构构有了较多多的应用，，譬如，浙浙江黄龙体体育中心、、新疆体育育馆、长春春经济技术术开发区体体育场等工工程均是典典型的应用用形式。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美国的Arecibo望远镜的馈馈源支撑结结构体系悬吊结构-Arecito望远镜二、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4）悬吊索系系结构或斜斜拉结构的的问题确定斜拉索索系中的预预应力水平平是斜拉索索系结构设设计的关键键问题，主主要包括两两项内容，，其一是确确定各拉索索之间预应应力水平的的比值，该该比值视结结构形式不不同而不同同，主要考考虑结构或或主要受力力单元的受受力平衡及及其合理性性。其二是是确定预应应力的幅值值，该值主主要由结构构的刚度要要求决定。。二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系1）车辐结构构的概念5、车辐结构构车辐结构是是一种新颖颖的索拱杂杂交结构，，在自行车车车轮中，，当轮轴处处受到竖向向荷载作用用时，荷载载通过受拉拉辐条传递递至轮箍，，轮箍便发发生变形，，如图1和图2所示。部分分辐条因缩缩短而卸载载，如图中中虚线所示示；其余辐辐条受拉伸伸长，如图图中实线所所示。线条条越粗表示示拉力越大大。受拉的的辐条抵抗抗轮箍的继继续变形，，提高了轮轮箍的刚度度，称为车车辐受力原原理。二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系1）车辐结构构的概念5、车辐结构构图1、2车辐受力原原理示意图图二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系1）车辐结构构的概念5、车辐结构构将车辐受力力原理引入入到拱结构构中，即按按车辐式布布置拉索系系，形成一一种索－拱拱杂交结构构，称为车车辐结构，，如图3所示。目前前，索－拱拱杂交结构构中研究和和应用较多多的是斜拉拉索－拱结结构。与纯纯拱结构相相比，车辐辐结构的刚刚度显著提提高，稳定定性明显改改善，而且且拱脚的水水平推力变变得可以调调节。图3车辐结构二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系2）车辐结构构的应用5、车辐结构构车辐结构形形式早在20世纪五六十十年代在前前苏联作为为一种索拱拱体系提出出，但直到到1989年完成的汉汉堡历史博博物馆庭院院的玻璃屋屋顶(如图4所示)中才得到应应用。二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系5、车辐结构构图4汉堡历史博博物馆二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系5、车辐结构构图伦敦航空眼眼（D=135m）二、杂交交结构及整整体张拉结结构体系3）车辐结构构的问题5、车辐结构构车辐结构设设计中一个个重要的问问题是其选选型问题。。除了纯拱拱设计中包包含的拱的的跨度、矢矢跨比、轴轴线形式和和截面形式式等，还包包括拉索的的数量、索索盘位置、、辐射形式式等。车辐结构设设计的核心心问题是其其稳定性的的计算，涉涉及到稳定定承载力的的确定及刚刚度的控制制要求。通通过非线性性设计可以以很好的解解决这一问问题，关于于它们性能能研究和设设计理论，，可参见清清华大学的的研究成果果。三、钢管结结构1、钢钢管管结结构构的的概概念念近20年来来，，钢钢管管结结构构在在国国内内外外得得到到了了迅迅猛猛发发展展，，在在现现代代工工业业厂厂房房、、仓仓库库、、体体育育馆馆、、展展览览馆馆、、会会场场、、航航站站楼楼、、车车站站及及办办公公楼楼、、宾宾馆馆等等建建筑筑物物中中得得到到广广泛泛应应用用。。由由于于它它的的良良好好性性能能，，在在国国内内外外应应用用较较多多且且越越来来越越广广泛泛，，见见图图10.16至图图10.18。图10.16广州州新新白白云云机机场场航航站站楼楼图10.17南京京站站新新建建无无站站台台柱柱雨雨棚棚三、、钢钢管管结结构构1、钢钢管管结结构构的的概概念念广州州市市新新中中轴轴线线电电视视塔塔日日本本大大阪阪机机场场航航站站楼楼图10.18钢管管结结构构三、、钢钢管管结结构构1、钢钢管管结结构构的的概概念念目前前工工程程中中使使用用的的钢钢管管结结构构可可按按截截面面形形状状、、结结构构形形式式和和制制作作方方法法进进行行分分类类。。按截截面面形形式式，，钢钢管管结结构构可可分分为为圆圆管管结结构构（（CHS）、、方方（（矩矩））形形管管结结构构（（RHS）和和其其他他形形状状三三类类。。由由于于在在外外表表和和受受力力性性能能方方面面的的优优越越性性，，圆圆管管结结构构和和方方管管结结构构的的应应用用最最广广。。按结结构构形形式式来来分分，，钢钢管管结结构构可可分分为为网网架架（（网网壳壳））、、桁桁架架、、框框架架和和钢钢管管混混凝凝土土结结构构四四种种。。钢钢管管结结构构形形式式是是指指采采用用圆管管和方管管作构构件件，，管管与与管管之之间间通通过过相相贯贯焊焊接接连连接接的的形形式式。。按制制作作方方法法来来分分，，钢钢管管结结构构可可分分为为热热轧轧钢钢管管结结构构、、冷冷轧轧钢钢管管结结构构、、焊焊接接钢钢管管结结构构三三种种。。热热轧轧钢钢管管壁壁厚厚较较厚厚、、制制作作成成本本高高，，冷冷轧轧钢钢管管壁壁厚厚相相对对较较薄薄。。三、、钢钢管管结结构构2、钢钢管管结结构构的的特特点点一、、相相比比于于普普通通开开口口截截面面形形式式的的型型钢钢而而言言，，圆圆管管和和方方（（矩矩））形形截截面面具具有有表表面面平平整整、、无无死死角角和和外外表表面面积积小小等等特特点点，，这这样样有有利利于于节节省省防防腐腐和和防防火火涂涂料料，，便便于于除除尘尘。。二、、钢钢管管截截面面的的风风阻阻力力系系数数小小，，应应用用于于暴暴露露在在流流体体（（如如风风、、水水流流））中中时时有有着着显显著著的的优优点点。。三、、钢钢管管结结构构的的内内部部空空间间可可利利用用。。例例如如填填充充混混凝凝土土（（钢钢管管混混凝凝土土结结构构）），，不不仅仅能能提提高高构构件件的的承承载载力力，，而而且且还还能能延延长长构构件件的的耐耐火火极极限限（（平平均均可可达达2小时时））；；管管内内注注水水，，可可利利用用内内部部水水循循环环进进行行防防火火。。四、、管管内内能能够够传传输输液液体体，，目目前前已已根根据据该该特特点点开开发发了了输输油油管管桥桥、、排排雨雨水水管管等等。。五、、管管内内还还可可以以放放预预应应力力索索，，施施加加体体内内预预应应力力三、、钢钢管管结结构构3、钢钢管管结结构构的的应应用用钢管管结结构构中中的的管管桁桁架架结结构构以以它它独独特特的的优优势势受受到到人人们们的的青青睐睐。。在在体体育育馆馆、、航航站站楼楼、、会会展展中中心心，，娱娱乐乐中中心心等等大大跨跨度度设设施施中中得得到到了了广广泛泛的的应应用用。。管桁架，是指指用圆杆件在在端部相互连连接而组成的的格子式结构构。管桁架，是指指用圆杆件在在端部相互连连接而组成的的格子式结构构。桁架是指由杆杆件在端部相相互连接而组组成的格子式式结构，管桁桁架即是指结结构中的杆件件均为圆管杆杆件。三、钢管结构构3、钢管结构的的应用三明市体育场场馆三、钢管结构构4、钢管结构的的问题管节点设计在在管结构设计计中占有非常常重要的地位位，它包括管管节点局部应应力应变分析析、失效机制制研究、弹塑塑性分析、设设计参数研究究、作用荷载载和支管约束束的影响、疲疲劳寿命等非非常广泛的课课题。管桁架的稳定定性计算也是是管结构设计计中的核心内内容，包括单单根构件的稳稳定性计算和和整体结构平平面外的稳定定性计算，特特别对于大跨跨度的管桁架架结构或管桁桁架拱形结构构，其平面外外整体稳定性性的计算不可可忽视。四、树枝结构构1、树枝结构的的概念树状结构是近近年来采用的的一种新结构构，它实际上上是一种多级级分枝的立柱柱支承结构，，主杆和枝杆杆均可由梁单单元集成，枝枝杆顶端与屋屋盖结构相连连，可减小屋屋盖结构的跨跨度、降低结结构内力。四、树枝结构构2、树枝结构的的特点①结构有规律律地分叉，由由一点或几点点向空间伸展展，形状恰似似树枝；②构件多采用用圆钢管，具具有良好的空空间受力性能能；节点多采采用铸钢节点点，具有较高高的强度；③枝叉顶端与与屋面结构连连接，构成整整体受力；④屋盖多采用用轻型屋面体体系。四、树枝结构构3、树枝结构的的应用新颖的仿植物物外形，使得得树枝结构被被应用于航空空港、车站、、码头、展览览馆、厂房等等结构中。。四、树枝结构构3、树枝结构的的应用四、树枝结构构4、树枝结构的的问题树枝结构的应应用先于其理理论研究的步步伐。虽然一一些在国外和和国内有影响响的树枝结构构已经建成，，丰富了结构构类型，给人人以美的享受受。但是作为为一个结构体体系的研究还还不够完善，，其最优布置置形式、分叉叉形式、稳定定性能、节点点性能都还没没有系统的研研究成果，清清华大学在这这方面的研究究工作有一定定的进展。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、高层钢钢结构新型抗抗侧力体系——钢板剪力墙1、钢板剪力墙墙的概念钢板剪力墙结结构指在钢框框架结构基础础上为提高结结构刚度及抗抗震性能而在在部分框架梁梁柱间内填钢钢板的结构。。钢板墙的组成成示意图七、高层钢钢结构新型抗抗侧力体系——钢板剪力墙1、钢板剪力墙墙的概念加拿大钢结构构设计规范CSAS16-01定义：钢板剪力墙是是一种有横向向加劲的墙板板，用以在结结构中抵抗侧侧力。柱子作作为墙板的翼翼缘构件，框框架梁作为墙墙板的横向加加劲。薄钢板板与其周围的的梁柱在各层层连接构成内内填板构件。。内填板周边边约束梁柱分分别简称为周周边柱、周边边梁，非内填填板约束构件件称为框架梁梁、框架柱。。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钢板剪剪力墙墙分类类七、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图1.2无加劲劲钢板板剪力力墙七、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3、钢板板剪力力墙的的特点点①抗震震性能能良好好②结构构自重重轻③施工工速度度快④钢板板墙体体无需需布满满整个个梁跨跨，这这样可可以非非常方方便地地在需需要的的地方方开门门、窗窗洞口口置在在门窗窗洞之之间，，克服服一般般斜撑撑对门门窗洞洞产生生的遮遮挡。。⑤本身身厚度度小，，即使使加上上防火火、保保温涂涂层，，其体体积也也远小小于钢钢筋混混凝土土墙体体，占占用建建筑面面积小小七、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4、钢板板剪力力墙在在国内内外工工程应应用及及在地地震中中的表表现钢板墙墙已成成为一一种非非常具具有发发展前前景的的高层层抗侧侧力体体系，，尤其其适用用于高高烈度度地震震区建建筑。。1970年建于于日本本京都都的NIPPONSTEELBUILDING是世界界第一一栋钢钢板剪剪力墙墙结构构建筑筑。近年来来在国国内也也得到到了诸诸多研研究者者的关关注，，并在在北京京国贸贸大厦厦三期期工程程，天天津市市津塔塔工程程等大大型项项目中中得到到了应应用，，有着着独特特优势势并有有良好好发展展前景景。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4、钢板板剪力力墙在在国内内外工工程应应用及及在地地震中中的表表现图1.3北京国国贸三三期工工程施施工及及钢板板剪力力墙布布置[2]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4、钢板板剪力力墙在在国内内外工工程应应用及及在地地震中中的表表现图1.4天津津津塔大大厦效效果图图及分分析模模型（（ABAQUS/EXPLICIT）七、高高层层钢结结构新新型抗抗侧力力体系系——钢板剪剪力墙墙应用钢钢板剪剪力墙墙结构构的部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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北京国贸大厦三期742007中国北京

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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4、钢板板剪力力墙在在国内内外工工程应应用及及在地地震中中的表表现图10.30为在建建的位位于洛洛杉矶矶51层高的的建筑筑。该该建筑筑采用用钢板板墙作作为主主要抗抗侧力力体系系。我国44层的上上海新新锦江江饭店店核心心筒也也采用用了钢钢板墙墙结构构，其其钢板板厚为为100mm。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4、钢板板剪力力墙在在国内内外工工程应应用及及在地地震中中的表表现采用钢钢板墙墙的建建筑已已经历历过实实际的的地震震考验验并且且有着着良好好的表表现。。最为成成功的的一例例是神神户的的一幢幢35层129.4m高的大大楼(KobeCityHall，图10.31后图)，该楼楼于1988年建成成，经经受了了1995年阪神神大地地震。。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5、钢板板剪力力墙的的问题题钢板剪剪力墙墙结构构虽然然已经经很多多投入入工程程应用用，但但其结结构的的整体体抗震震性能能却由由于问问题的的复杂杂性和和分析析的困困难性性，基基本没没有得得到系系统研研究。。虽然然研究究者们们对钢钢板剪剪力墙墙构件件的抗抗震性性能及及其影影响因因素研研究的的较为为成熟熟全面面，但但对整整体结结构的的动力力特性性及其其在地地震作作用下下的受受力与与变形形特征征、水水平地地震剪剪力分分配特特征、、结构构耗能能机理理的认认识基基本上上还处处于空空白状状态，，需要要进行行系统统研究究与总总结。。八、防防屈曲曲耗能能支撑撑1、防屈屈曲耗耗能支支撑的的概念念为解决普普通支撑撑受压屈屈曲以及及滞回性性能差的的问题，，在支撑撑外部套套管，抑抑制支撑撑的受压压屈曲，，构成防防屈曲耗耗能支撑撑防屈曲耗耗能支撑撑的构成成八、防屈屈曲耗能能支撑2、防屈曲曲耗能支支撑的构构造防屈曲耗耗能支撑撑在构造造上由核核心单元元和外围围约束单单元两个个基本部部件组成成，二者者之间由由无粘结结涂层隔隔开，如如图10.32所示。核核心单元元有一字字板形、、十字板板形、丁丁字形以以及矩形形等多种种形式，，他们通通常采用用低屈服服点钢材材(如日本采采用LYl00和LY225)，以保证内内核在塑塑性范围围内有足足够的延延性及变变形能力力；外围围约束单单元由矩矩形或圆圆形钢管管及内填填的细石石混凝土土组成；；二者组组合可构构成多种种不同的的截面形形式，图图10.33给出了其其中的几几种。八、防屈屈曲耗能能支撑2、防屈曲曲耗能支支撑的构构造八、防屈屈曲耗能能支撑3、防屈曲曲耗能支支撑的受受力机理理轴向拉力力和压力力仅由核核心单元元承受．．为避免免核心单单元轴压压时发生生屈曲，，利用外外围约束束单元提提供侧向向约束；；为了确确保外围围单元不不传递轴轴向荷载载且又保保持有效效约束，，需要在在核心单单元与约约束单元元间设置置隔绝层层。内核核单元仅仅与框架架梁连接接，从而而保证压压力和拉拉力只由由内核单单元承受受。八、防屈屈曲耗能能支撑4、防屈曲曲耗能支支撑的应应用防屈曲耗耗能支撑撑在日本本和美国国有广泛泛的应用用市场，，可以应应用在已已建结构构及新建建结构中中，图10.34是防屈曲曲耗能支支撑在日日本某工工程中的的应用。。八、防屈屈曲耗能能支撑4、防屈曲曲耗能支支撑的应应用1994年北岭地地震后，，美国开开始对防防屈曲耗耗能支撑撑体系进进行研究究，到目目前为止止，已经经建成或或正在建建造的使使用此支支撑的结结构达30余栋。目目前美国国大多数数使用防防屈曲耗耗能支撑撑的建筑筑物都在在美国西西部（加加州最多多）。大陆地区区正在建建设的北北京威盛盛大厦和和北京银银泰中心心大厦也也开始使使用了防防屈曲耗耗能支撑撑，并进进行了相相关的抽抽样检测测和试验验研究，，西部机机电科技技商务中中心钢结结构工程程采用日日本新日日铁株式式会社的的无粘结结支撑，，并进行行了弹塑塑性地震震时程响响应分析析。八、防屈屈曲耗能能支撑4、防屈曲曲耗能支支撑的应应用图9银泰中心心建筑北北立面图图图图10银泰中心心防屈曲曲支撑的的安装九、新型型构件及及铸钢节节点1、梭形格格构式受受压构件件1）梭形格格构式受受压构件件的概念念格构柱：：属于压弯弯构件，，多用于于厂房框框架柱和和独立柱柱，优点点在于很很好的节节约材料料；截面面一般为为型钢或或钢板设设计成双双轴对称称或单轴轴对称的的截面。。格构体体系构件件由肢件件和缀材材组成。。格构柱柱可能是是主要的的应用形形式，有有缀条柱柱和缀板板柱。格格构柱的的主要思思想是：：将材料料面积向向距离惯惯性轴远远的地方方布置，，能保证证相同轴轴向抗力力条件下下增强构构件抗弯弯性能，，并且节节省材料料。九、新型型构件及及铸钢节节点1、梭形格格构式受受压构件件2）梭形格格构式受受压构件件的形式式梭形柱主主要作为为受压承承重构件件，可分分为实腹腹式梭形形构件和和格构式式梭形构构件；实实腹式梭梭形构件件以圆钢钢管、方方形钢管管和十字字形居多多，格构构式梭形形构件大大多由圆圆钢管组组成，有有两肢、、三肢及及多肢梭梭形格构构柱；梭梭形柱建建筑造型型新颖，，稳定性性承载力力高，是是建筑与与结构的的完美结结合；但但是，梭梭形柱制制作工艺艺较复杂杂，加工工费用高高。九、新型型构件及及铸钢节节点1、梭形格格构式受受压构件件3）梭形格格构式受受压构件件的应用用梭形格构构管柱构构件作为为近年来来出现的的一种新新型的受受力构件件形式，，在实际际工程中中的应用用日趋广广泛，如如英国千千年穹顶顶的八管管梭形格格构柱