第一章空间结构概论12.1015

《空间结构》

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空间结构的概论2

网架结构3网壳结构

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悬索结构5膜结构(全张力结构)6管桁架结构教材大跨度空间钢结构分析与概念设计王秀丽编著机械工业出版社参考书1网架与网壳结构沈祖炎陈扬翼编者同济大学出版社2空间结构张文福主编科学出版社3网壳结构设计尹德钰刘善维钱若军合著中国建筑工业出版社4新编网架结构设计手册唐瑞森主著科学出版社5网壳结构稳定性沈世钊陈昕著科学出版社悬索结构设计

沈世钊

徐崇宝

赵臣

著

中国建筑工业出版社7空间结构浙江大学建筑工程学院、建筑设计学院中国计划出版社8空间结构设计与施工肖炽马少华王伟成编著东南大学出版社9钢结构节点与构造设计手册中国建筑工业出版社第一章空间结构概论

spatial（space)structure建筑结构的发展遵循着一条力学主线——将M转化为N；梁板——桁架、网架——拱、壳、网壳——索、膜等。空间结构是衡量一个国家或地区建筑技术水平的一个重要标志。一、什么叫空间结构

建筑结构的形体成三维空间状并具有三维受力特性且呈立体工作状态的结构，称空间结构。

空间结构:创造宏大内部的空间，利用空间形态或三维形态来抵抗外力。它考虑结构的内部空间，也顾及结构外部空间的影响。不仅表达力学理念，也通过规模、形态来展示建筑意图。

空间结构的发展与进步反映建筑材料、结构体系和建筑技术综合发展的过程。与经济水平和各种需求发展密切相关。空间结构的创建是材料、形态、体系和结构表现交织在一起，是展示建筑造型与合理结构体系间的高度和谐；建筑师和结构工程师不可或缺，施工技术也得到相应的发展。平面结构的传力是有层次的，路径是：从次要构件向主要构件。如：框架结构荷载从楼板依次传到次梁、主梁、框架柱，最后到达基础。结构或构件抗力，主要依赖截面尺寸和材料的强度。空间结构的受力特点，是充分利用三维几何构成，形成合理的受力形态，发挥材料的性能优势。如网壳结构，杆件作为整体结构的一部分，按空间几何特性承受荷载，没有“主次”关系。从分析、设计和施工的角度，它是不能被分解为平面结构的。二

空间结构的特点自然界总是建造最经济的结构，如蛋壳、肥皂泡、蜂窝、蜘蛛网等。蛋壳——钢筋混凝土壳体结构海螺——薄壳结构肥皂泡——膜结构蜂窝——网架结构蜘蛛网——悬索结构棕榈树叶——折板结构

以仿生原理来理解和发展空间结构形体有着特别重要的意义。

能充分利用不同材料的特性，以各种变化的形式适应建筑造型的需要，受力合理、整体性和稳定性好，重量轻、空间刚度大、抗震性能好，造型美观、形式活泼新颖、能突出人类艺术创造力。最优的结构通常被认为是艺术与结构融合的产物。

空间结构的特点：1）面内力(薄膜内力、中面内力):平行板面的拉力、压力和剪力。面外力（弯曲内力）：弯矩、扭矩和竖剪力。

1内力呈三维传递以面内力或轴力为主2）薄壳结构:内力沿中曲面传递；悬索结构:拉力内力的均匀性和分散性3立体性结构分析时不能忽略立体性三、空间结构的形式按受力特点可分为：刚性结构（stiffspacestructures)体系、柔性(flexibility)结构体系和组合(杂交hybrid)结构体系等三大体系。1刚性结构体系特点：构件刚度好，结构的形体由构件的刚度形成。形式：薄壳结构、折板结构、空间刚架结构、网架结构（平板）和网壳结构（曲面）、空间拱等。（1）薄壳结构

壳体的厚度与中曲面曲率半径之比小于1：20，薄壳结构主要受压，它利用了混凝土抗压性能好的特点。

P7法国巴黎国家工业与技术展览中心大厅混凝土薄壳结构厚跨比1：1200，鸡蛋壳1：100新疆某机械厂金工车间薄壳结构，直径为60m。（2）网架结构

spacetruss由杆件组成，具有多向受力的性能，空间刚度大，整体性强，抗震性能好，制作安装方便。1973年建成的上海万人体育馆，圆形平面，三向网架净跨110m，厚6m；采用圆钢管构件和焊接空心球结点，用钢指标47kg/m2。厦门国际会展中心以会议、展览为龙头，集信息、商贸、酒店、旅游购物、娱乐休闲等为一体的多功能公共建筑，占地面积47公顷，首期总建筑面积150000m2，总投资11.7亿。首期工程主楼平面尺寸为115×405米，沿横向设四条抗震缝，将其分为五个区段。1、5区为81×81米无柱展厅，屋盖采用三层焊接球网架结构，1区是高空滑移法，5区与同济合作，整体提升法。网架下弦标高16.5米，网架的四周支承在钢筋砼柱柱顶，三个支承边为9米柱距，另一支承边为27米柱距。网架的网格尺寸为4.5×4.5米，采用正交正放四角锥、上弦杆结构找坡网架，端部高度为3.0+2.5米，跨中高度为3.0+4.5米。2、4区为81×81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10.55米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为27米，沿横向间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶。屋面为屋顶花园，屋面活荷载按8.0KN/m2设计,屋盖承重结构选用钢桁架,并且正交桁架高度相等,弦杆为刚接,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。

楼高42.6米，楼面标高分别为5.0、10.0、15.50、21.50、27.0、32.0米，框架柱在标高21.50米以下为钢骨砼柱，框架梁采用焊接工字形钢梁，其它梁、柱构件选用国产轧制H型钢。顶层多功能厅南北长151米，东西宽69米，支承在中间81×27米围合而成的28根箱形钢柱上（其中有24根延伸至屋顶构成一个无柱大空间）。屋盖为双向大悬臂结构，总重4640吨，南北各悬挑35米，东西向各悬挑21米，角点悬挑40.8米。单榀桁架最大重量80吨，35米外挑桁架总重1640余吨。由于建筑造型的要求,结构采用了空间巨型桁架体系,将多功能厅的楼面和屋面分别作为巨型桁架的下弦和上弦,为了保证结构稳定,提高其整体刚度在屋面结构上弦设置了水平支撑,在悬臂部分设置了水平支撑和垂直支撑,以此形成了一个封闭稳定的空间结构。主体结构楼面采用组合压型钢板，屋面采用双层夹芯屋面板。钢结构工程总造价1.2亿元人民币。（3）网壳结构网壳曲面分为：球面、柱面和双曲抛物面（马鞍形或扭面形）。平面形状有：圆形、椭圆形、扇形、矩形、多边形及其组合。网壳结构主要承受压力，存在稳定问题。吉林某仓库肋环形球面网壳，直径为86m。

1994年建成的天津体育馆，肋环斜杆型双层球面网壳，圆钢管构件，焊接空心球，用钢指标55kg/m2。圆形平面净跨108m，周边伸出13.5m，壳厚度3m。预应力网壳——攀枝花市体育馆，预应力双层球网壳，短程线形，花瓣八边形，跨度74.8m。嘉兴发电厂干煤棚双层柱面网壳跨度为103．5m，正放四角型，用钢量65kg/m2。嘉兴电厂干煤棚双层三心圆柱面网壳，

2001年河南鸭河口电厂干煤棚跨度108米，长度90米，矢高38.766米，正放四角锥三心圆柱面双层网壳，当时亚洲跨度最大的柱面网壳。

采用“折叠展开式”整体提升施工方法，国内首次，浙江大学空间结构研究中心设计，浙江东南网架集团公司承接施工，提升工作于2001年5月31日一天内完成。

折叠展开式网壳（pantadom——攀达穹顶）整体提升施工工艺分为地面安装→提升就位→构件补缺三个主要步骤。深圳市民中心，2002年我国覆盖面积最大的网壳，全长500m。2001年广东现代会展中心福建省体育馆2柔性结构体系

特点：结构构件为柔性，如钢缆、钢索、薄膜等，结构的形体由体系内部的预应力形成。

1、悬索结构通过索的轴向拉伸抵抗外荷作用，利用钢索的抗拉强度，减轻结构自重。当跨度不超过150m时，屋盖的钢索用量—般小于10kg/m2。能适应不同的建筑平面，建筑造型丰富。1953年美国北卡罗来纳州雷里体育馆67.4m×38.7m，椭圆形，由两个交叉拱支承马鞍形交叉索系。淄博体育馆1986年吉林滑冰馆吉林滑冰馆单曲面双层悬索结构，跨度59m，长度72m的矩形平面。北京工人体育馆辐射状（双曲面）双层悬索结构，直径94m。浙江体育馆交叉索网体系的悬索结构，椭圆形平面80m60m。

（2）充气膜结构air-supported

以柔性膜为承重材料，利用薄膜内外空气压力差来稳定薄膜，承受外荷载。充气膜结构分为：低压体系和高压体系。低压体系移动式医院1988年建成的日本东京后乐园棒球馆，气承式索-膜结构。双层膜结构，中间通热空气融雪；中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形及内力，自动选择最佳方法来控制室内气压和消除积雪。气肋式充气结构(高压体系)

由自封闭的膜材充以高压气体，形成可以传递横向力的管状薄膜构件，其作用如同梁、拱、空间构架等。1970年建成大阪世界博览会富士馆气肋式充气结构。（3）张拉整体结构（全拉紧结构）

Tensegritysystems

由一组互相独立的受压杆与一套连续的受拉索构成。不依赖于外力，受拉索与受压构件自应力平衡，是自支承的网状杆系结构。

美国亚特兰大奥运会主体育馆张拉整体结构，平面为240mx193m的椭圆形。美国亚特兰大市佐治亚体育馆张拉整体结构（4）薄膜结构membrancestructure用连续薄膜作为基本材料的一种张拉结构。薄膜既是结构材料，也是建筑材料。1）张拉式膜结构

以优良性能的织物为膜材，利用刚索或刚性支承结构向膜内预施加张力。形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。深圳大梅沙海滨广场张拉膜2）骨架式膜结构

骨架起承重作用，膜体仅为辅助物，膜体本身的结构作用发挥不足。骨架式膜结构造价低于张拉式体系。骨架式与张拉式的结合运用，可取得更富于变化的建筑效果。

南京新街口地下广场出入口1997年上海八万人体育场屋盖马鞍形，由径向悬挑桁架加环向桁架组成的环状大悬挑钢管空间结构。屋盖最大悬挑长度为73.5m，屋面层为57个伞状拉索结构，上面覆盖膜层。组合结构体系（杂交结构体系）

hybridstructuralsystem由不同类型的结构组合而成的新的结构体系。利用一种结构的长处来抵消另一种与之组合的结构的短处，使每一种单一类型的空间结构形式及其材料均能发挥最大的潜力，改善整个空间结构体系的受力性能。

杂交空间结构可以是刚性结构体系之间的组合，如拱与网格结构组合形成的拱支网架结构、拱支网壳结构等；柔性结构体系之间的组合，如悬索与薄膜组合而成的索膜结构等；柔性结构体系与刚性结构体系之间的组合，如索与网格结构组合形成的斜拉网格结构、拉索预应力网络结构及索与桁架结构组合而成的横向加劲单曲悬索结构等。斜拉网架——吴县太湖收费站江西抚州体育馆平面尺寸为58m45.5m混凝土屋面与网架结合的组合网架。汉城世界杯体育场2001年吊挂式和索膜结构天蓬昆明世博园艺术广场膜结构浙江黄龙体育中心体育场斜拉网壳

2000年建

位于杭州市黄龙洞风景区以北，是国内超大型体育设施之一。该方案设计中主体育场底部为半径150m的圆形，比赛场地为南北向长轴长，东西向横轴短的椭圆形。观众席顶部设有挑蓬，挑蓬覆盖座席的覆盖率超过90%，挑蓬悬挑50m，挑蓬东西向中点标高39m，低处标高31.8m，南北塔楼最高点标高85m。能容纳观众53600人，内设400m跑道。

挑蓬结构由吊塔、斜拉索、内环梁、网壳、外环梁和稳定索组成。两塔柱间的距离250米，塔地下2层，地上24层，顶部85m，每塔分东西两肢，在地下室、36层、2122层三处将两肢相连。

吊塔为预应力钢筋混凝土筒体结构，斜拉索的锚固端从上往下排列在吊塔上，锚固节点穿过吊塔外墙设在塔内部。在塔外侧施加预应力，保证作为悬臂结构吊塔的强度和刚度。挑蓬结构为两块正放四角锥焊接球节点圆柱面网壳244×50×3，网壳一端支撑在外环梁上，一端支撑在内外环梁上。外环梁为支撑于看台框架上的预应力钢筋混凝土箱形梁，内环梁为2200160025(30)的箱形钢梁。

内环设9根斜拉索，与塔柱肢相连，在网壳上弦靠内环梁设置9根稳定索，锚固在外环梁，抵抗向上的风荷载。斜拉索与稳定索采用75高强度钢铰线。网壳杆件内力较大，空间角度复杂。内环梁作为网壳的支撑构件，同时也是斜拉索下锚固节点，斜拉索下锚固节点位于梁中腹内；稳定索锚固节点位于箱形内部，中空部分兼做稳定索施工通道。深圳游泳跳水馆斜拉桁架覆盖面积120m×80m，2001年内景深圳游泳跳水馆结构示意图

1榀主桁架8榀次梁，沿主桁架成对布置四根桅杆，每桅杆有四根斜拉索（钢棒），使次桁架至少增加一支点。青岛体育馆，索网结构，跨度74m北京北郊体育中心综合体育馆斜拉网壳平面尺寸为112mx80m丹东体育馆刚架支承单曲面悬索结构平面尺寸为80m45m。

安徽省体育馆桁架加劲的单曲面悬索结构平面尺寸为72m53m的六边形。

1988年建成的日本东京都室内棒球场，钢索与气承膜组合的索膜结构，平面尺寸为201m201m；双层膜结构，中间可通热空气融雪；中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、膜和索的变形及内力，并自动选择最佳方法来控制室内气压和消除积雪。大邱座席70000屋盖面积24000m2屋面膜材PTFE结构类型钢管桁架+拱建成时间2001.7清华大学综合体育馆21届大运会2001.8.22—9.1

总建筑面积12600平方米，总观众席位5000个主体建筑由两根108米跨度的变截面钢筋混凝土大拱悬吊桁架铝镁合金屋面。四空间结构应用范围空间结构对现代建筑产生了重大影响，为奇特的建筑造型，提供巨大的跨越空间，广泛应用于大型体育场馆、影剧院、会议展览中心、大型商场、车站、航站楼、机库、干煤棚、各类工业厂房仓库及各种大、中、小跨度的公共与工业建筑。五空间结构形式的发展趋势1张拉整体结构结构