大跨空间及钢结构的进展与工程应用课件

大跨空间及钢结构的进展与工程应用2012.7.30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主要内容1、概述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6、拱形钢结构一、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1、大跨建筑的概念1）大跨的界定国家标准《钢结构设计一、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平板网架结构空间网壳圆屋顶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。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，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。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、日加拿大卡可里加体育馆福冈体育馆加拿大卡可里加体育馆福冈体育馆一、概述4、空间钢结构的发展我国的空间钢结构的基础比较薄弱，中国第一批具有现代意义的网壳是在50和60年代建造的，但数量不多。到80～90年代大、中、小跨度的网架几乎已经遍及各地。随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，大跨工业厂房、候机大厅、会展中心、剧院、体育场馆等大型工业、公共建筑不断涌现，空间钢结构得到了前所未有的飞速发展，并且获得了广泛的应用。表2列出了一些具有代表性的大跨空间钢结构工程项目。一、概述4、空间钢结构的发展我国的空间钢结构的基础比较薄弱，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上海科技馆上海科技馆

漳州后石电厂漳州后石电厂杭州黄龙体育中心体育场杭州黄龙体育中心体育场广州体育馆主馆广州体育馆主馆乌鲁木齐石化总厂游泳馆乌鲁木齐石化总厂游泳馆上海八万人体育场上海八万人体育场上海浦东机场上海浦东机场深圳候机场机楼（二期）深圳候机场机楼（二期）二、杂交结构及整体张拉结构体系杂交结构“杂交”空间结构(HSS——HybridSpaceStructures)相对说来是一个比较新的名词,它是指不同类型结构的组合而形成的一种新的结构体系,以别于采用不同材料而组成的“组合”结构(例如钢-砼组合网架)。杂交结构在1986年的日本大阪国际会议上曾是一个热门话题。它的最大优点是:综合利用各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势;丰富建筑造型,有效利用建筑空间;改善总体力学性能等。从美国耶鲁大学冰球馆到我国江西省体育馆、北京朝阳体育馆、国家奥林匹克体育中心综合体育馆等,直至1992年落成的美国96年亚特兰大百年奥运会乔治亚索穹顶——世界上最大的体育馆屋盖结构。这些HSS的中外建筑,造型优美、气势磅礴,给人留下深刻的印象,随着经济的发展,造价已不再作为结构形式的唯一取舍标准,这种HSS融建筑的技术与艺术于一体的结构形式将越来越得到人们的青睐。二、杂交结构及整体张拉结构体系杂交结构“杂交”空间结构(H二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构索穹顶是一种新型的索杆结构，预应力拉索支撑在圆形刚性周边构件上，并以膜材作为屋面。1）索穹顶结构的概念二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构索穹顶是一种新二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构1954年，由Snelson（斯内尔森）和建筑大师Fuller（富勒）最先提出张力集成结构体系的构思；1962年，Fuller获得“张拉整体结构”专利。1）索穹顶结构的产生美国工程师Geiger（盖格）对实现这种结构思想做出了极大的贡献，他借鉴张拉集成思想并作了实质性的推广和发展，于1986年开发出一种实用的大跨度空间结构体系——索穹顶，其实质是用一个周边受压环梁来平衡张拉体系。二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构1954年，由汉城奥运会体操馆汉城奥运会体操馆太阳海岸穹顶太阳海岸穹顶索穹顶结构由放射性脊索、斜索和环索组成的连续张力索网和不连续受压杆，以及中央拉环、周边压力环构成了Geiger型穹顶的基本体系(图10.1)。索穹顶结构由放射性脊索、斜索和环索组成的连续张力索网和不连续这种结构由连续拉索和不连续的受压立柱构成,并由预应力提供刚度且与外环梁一起组成自平衡结构。荷载均从中央的张力环,通过一系列的脊索、张力索和斜索传递至周边的压力环。该体系具有结构简单,施工容易,且对施工误差不敏感等优点。但由于其几何形状类似平面桁架,体系平面刚度较小,且该体系内部存在机构,当荷载达到一定程度时,结构会出现分枝点失稳。所以盖格体系索穹顶结构一般适用于均布荷载作用下的圆形平面屋盖结构。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形式这种结构由连续拉索和不连续的受压立柱构成,并由预应力提供刚度Levy和Jing改变了Geiger型索穹顶脊索的布置方法，变放射状的脊索为三角化联方型布置的脊索，增强了结构稳定性，减小了脊索所需的预张力值，而且丰富了结构的平面体型，同时取消了在薄膜铺设中起稳定作用的谷索。

Levy和Jing改变了Geiger型索穹顶脊索的布置方法，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形式1-高压外环梁;2-环拉索;3-斜拉索;4-立柱;5-中央桁利维体系与盖格体系的主要区别在于脊索和斜索的布置。盖格体系的脊索、斜索和立柱均在同一平面内,每个节点上仅有一根斜索相连,脊索沿径向布置,斜索、立柱与其相应的脊索构成一竖向平面三角形;利维体系的脊索、斜索和立柱不在同一平面内,而是构成立体桁架。每个立柱顶的节点上有2根斜索与相邻内环立柱底的节点相连,每个节点有4根脊索,脊索网的平面投影为四边形或三角形。Levy索穹顶的整体空间作用与Geriger索穹顶相比明显加强，提高了在不对称荷载或局部荷载作用下的刚度和稳定性，但脊索出现了网格划分不均的问题。利维体系与盖格体系的主要区别在于脊索和斜索的布置。盖格体系的佐治亚穹顶屋顶平面与结构系统断面佐治亚穹顶屋顶平面与结构系统断面大跨空间及钢结构的进展与工程应用课件利雅德大学体育馆可开合式索穹顶继亚特兰大索穹顶之后,利维等人设计并建成了位于沙特阿拉伯的利雅德大学体育馆,该体育馆为可开合式的索穹顶结构。其与众不同之处是采用立体桁架作外压力环,从而进一步展示了索穹顶结构的应用前景。图6a为索穹顶的全景,图6b和图6c分别为其闭合状态和开启位置的平、剖面图。开合式索穹顶:利雅德大学体育馆可开合式索穹顶继亚特兰大索穹顶之后,利维等二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构3）索穹顶结构的特点从经济方面来看，索穹顶耗材少、施工简单，且平均造价不会随结构跨度的增加而明显增大，从而使得索穹顶结构具有很好的经济性。从建筑观点来看，索穹顶构造轻盈、造型别致、色彩明快。从结构的观点来看，这种结构形式较其他结构更为合理。二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构3）索穹顶结构二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构4）索穹顶结构的应用北京建工院撑起国内首个索穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构4）索穹顶结构二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构5）索穹顶结构的问题从已有的工程实践看，Geiger式的索穹顶结构得到了广泛的应用，如亚特兰大Georgia索穹顶，它具有以下优点。一是绝大部分受力构件可设计成受拉的索，截面受力均匀，可充分发挥钢索的高强度性能。同时，自重可大大减轻。其二，受拉构件是最稳定的，无失稳问题。可不考虑弯矩、扭矩和剪力的问题。因此可以利用较少的材料跨越和覆盖很大的空间。其三，因压杆数量少、长度短，截面选用时也容易满足其稳定性条件。其四，改变结构刚度可通过调节预应力来实现，而不必改变构件的几何尺寸。但是，任何事物都具有它的两面性，索穹顶结构在拥有以上优点的同时，也存在以下缺点。其一，计算分析难度较高。其二，预应力施加难度高，成型过程不易控制，施工难度高。其三，预应力损失影响严重。二、杂交结构及整体张拉结构体系1、索穹顶结构5）索穹顶结构二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构1）弦支穹顶结构的概念弦支穹顶结构是将张拉整体、索穹顶等柔性结构的概念和单层网壳相结合而形成的一种新型的空间结构体系。是由连续受拉构件(索或钢拉杆)和独立受压杆件(撑杆)共同支承上部受压结构(或构件)而形成的结构形式。弦支结构的概念结构本质是用撑杆连接上部受压弯构件和下部受拉构件，通过在受拉构件上施加预应力，使上部结构产生反挠度，从而减小荷载作用下的最终挠度，改善上部构件的受力形式;并且通过调整受拉构件的预应力，减小结构对支座产生的水平推力，使之成为自平衡体系。二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构1）弦支穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构弦支穹顶结构体系图二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构弦支穹顶结构二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构2）弦支穹顶结构的产生索穹顶结构体系，这种结构是目前最合理、最轻型的大跨度结构体系，具有构思简单、形式简捷、结构性能优越等特点，最具代表性的例子是GeogiaDome，其跨度超过200m，用钢量却不足30kg/m2。但是索穹顶结构必须借助预应力产生刚度，形成稳定承重结构体系，而且必须在周边支座设置强大的受压环梁以平衡拉索预应力。另外索的高预应力极大影响了非索结构构件，其费用昂贵且施工制作难度较大，影响了该结构的推广使用，并且由于专利技术保护，目前世界上的索穹顶工程都是由美国工程师设计和指导施工的。二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构2）弦支穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构2）弦支穹顶结构的产生那么如何能够更好地利用索穹顶结构的优点，同时又避免它的不足之处呢?日本的M．Kawaguchi教授于1993年提出了弦支穹顶的概念，该体系由单层网壳、撑杆及预应力索组成，如图10.3所示。显而易见，弦支穹顶是将索穹顶的上部拉索全部采用刚性构件而构成一单层网壳，同时保持其他构件形式不变的一种新型的混合空间结构体系。二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构2）弦支穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构2）弦支穹顶结构的产生二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构2）弦支穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构3）弦支穹顶结构的特点弦支穹顶结构作为一种刚柔相济的新型复合结构体系，完美地融合了单层网壳和索穹顶结构的优点，一方面在单层网壳结构的下部引入张拉整体部分，改善了单层网壳的稳定性，另一方面由于使用单层网壳结构代替了索穹顶的上部索系，大大降低了结构的设计分析难度和施工难度，因此弦支穹顶自1993提出以来，已在国内外十余项大型工程中得到了应用，初步显示了它的应用前景。二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构3）弦支穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构4）弦支穹顶结构的应用M．Kawaguchi教授发明了弦支穹顶结构体系以后，于1994年将这种结构体系应用于日本东京Hikarigaoka穹顶和Fureai穹顶，并对后者进行了足尺试验，为今后的工程应用奠定了良好的开端。我国在弦支穹顶也进行了一些工程实践，近十余年间，弦支穹顶结构已在国内外近二十项大型工程中得到了应用。如昆明柏联广场采光中庭，采用椭球型的弦支穹顶结构体系的鞍山羽毛球馆，天津开发区商务中心大堂弦支穹顶。正在建设的武汉体育馆，是目前我国跨度最大的弦支穹顶结构。二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构4）弦支穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构光丘穹顶外景施工中的光丘穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构光丘穹顶外景二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构聚会穹顶外景聚会穹顶内景二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构聚会穹顶外景二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※昆明柏联广场中庭采光顶图昆明柏联广场采光弯顶拉索结构二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※昆明柏联广二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※天津港保税区商务交流中心大堂屋盖

天津保税区中心弦支穹顶屋盖二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※天津港保税二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※

天津博物馆图

天津博物馆贵宾厅弦支穹顶结构二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※天津博物二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※济南奥体中心体育馆图济南体育馆弦支穹顶结构二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※济南奥体中二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※北京工业大学体育馆图北京工业大学体育馆弦支穹顶结构二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构※北京工业大二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构①弦支穹顶结构温度效应研究②弦支穹顶结构节点设计研究③弦支穹顶索滑移模拟研究④超大跨度弦支穹顶结构的设计研究5）弦支穹顶结构的问题⑤弦支穹顶结构索力的测试及其补偿技术研究二、杂交结构及整体张拉结构体系2、弦支穹顶结构①弦支穹顶结二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构1）张弦梁或张弦桁架结构的概念张弦梁结构(BeamStringStructure，简称BSS)的概念由日本大学M．Saitoh教授在20世纪80年代初首先提出，给出的定义是“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”。二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构1）二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构2）张弦梁结构的受力机理通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构2）二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构3）张弦梁结构的特点张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。同时，调整撑杆沿跨度方向的布置，还可以控制梁沿跨度方向内力的变化，使各个截面受力趋于均匀。而且由于刚性构件与绷紧的索连在一起，限制了整体失稳，构件强度可得到充分利用。二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构3）二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构3）张弦梁结构的特点梁的内力变化二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构3）二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构4）张弦梁结构的应用由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。天城穹顶二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构4）二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构4）张弦梁结构的应用浦东国际机场的张弦梁结构二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构4）二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构4）张弦梁结构的应用广州国际会展中心张弦桁架结构二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构4）二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构5）张弦梁结构的问题张弦梁结构或张弦桁架结构是自平衡结构体系，设计的核心问题是根据其承受的重力荷载计算出最小预应力，并根据反向荷载(如风载)校核预应力的合理取值，即张弦梁和桁架在各种荷载工况作用下，其预应力拉索不失效。对于张弦梁(或桁架)结构的稳定性计算，只要能保证梁(或桁架)不发生平面外失稳，则整个张弦梁结构不会有面外失稳的可能性，除非梁(或桁架)是下凹梁(或桁架)。如果梁或桁架的平面外稳定性不能保证，最有效的措施是增设平面外支撑。二、杂交结构及整体张拉结构体系3、张弦梁或张弦桁架结构5）二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构1）悬吊索系结构或斜拉结构的概念悬吊索系结构是以悬吊在支座或竖直塔架上的悬索作为承重构件的一种结构形式，其主要由主索、稳定索、塔架和悬挂体组成。主索和稳定索固定于支座或周围塔架上。主索作为承载索用来承担结构自重和外荷载作用；稳定索通过施加一定的预应力用来提高结构体系的整体刚度；悬挂体可以为单质点质量块，也可以为具有特定用途的一定尺度和刚度的悬挂结构。悬吊索系结构二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构1二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构1）悬吊索系结构或斜拉结构的概念斜拉结构则是通过斜拉索给刚性构件（结构）提供一个或多个弹性支承点，减小刚性构件（结构）受力的跨度，拉索另一端则固定于塔柱或者其他刚体上，如斜拉桁架结构和斜拉桥等斜拉结构二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构1二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构图10.8北京曲棍球馆二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构图二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构

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悬吊索系结构二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构

悉尼会展中心二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构2）悬吊索系结构或斜拉结构的特点悬吊索系结构通过对稳定索施加一定的预应力作用，可以提高结构体系的整体刚度。若无稳定索或稳定索中无预应力作用，当悬挂质量比较小时整个结构体系是不稳定的。在大跨度悬吊索系结构体系中，这个问题变得尤为突出，因此，稳定索及其施加的预应力作用对整个结构体系非常重要。二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构2二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构3）悬吊索系结构或斜拉结构的应用常见的斜拉结构有斜拉钢梁（拱）、斜拉悬挑桁架、斜拉网架（壳）等，可用单桅杆或成对桅杆。1990年建成的国家奥体中心游泳馆通过70米高的塔斜拉117米跨度的箱梁是斜拉结构在我国最早的应用。1993年建成的新加坡港务局(PSA)仓库斜拉网架（120米×90米）是我国成功建设的项目。近年来，斜拉结构有了较多的应用，譬如，浙江黄龙体育中心、新疆体育馆、长春经济技术开发区体育场等工程均是典型的应用形式。二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构3二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构美国的Arecibo望远镜的馈源支撑结构体系

悬吊结构-Arecito望远镜二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构美二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构4）悬吊索系结构或斜拉结构的问题确定斜拉索系中的预应力水平是斜拉索系结构设计的关键问题，主要包括两项内容，其一是确定各拉索之间预应力水平的比值，该比值视结构形式不同而不同，主要考虑结构或主要受力单元的受力平衡及其合理性。其二是确定预应力的幅值，该值主要由结构的刚度要求决定。二、杂交结构及整体张拉结构体系4、悬吊索系结构或斜拉结构4二、杂交结构及整体张拉结构体系1）车辐结构的概念5、车辐结构车辐结构是一种新颖的索拱杂交结构，在自行车车轮中，当轮轴处受到竖向荷载作用时，荷载通过受拉辐条传递至轮箍，轮箍便发生变形，如图1和图2所示。部分辐条因缩短而卸载，如图中虚线所示；其余辐条受拉伸长，如图中实线所示。线条越粗表示拉力越大。受拉的辐条抵抗轮箍的继续变形，提高了轮箍的刚度，称为车辐受力原理。

二、杂交结构及整体张拉结构体系1）车辐结构的概念5、车辐结二、杂交结构及整体张拉结构体系1）车辐结构的概念5、车辐结构图1、2车辐受力原理示意图二、杂交结构及整体张拉结构体系1）车辐结构的概念5、车辐结二、杂交结构及整体张拉结构体系1）车辐结构的概念5、车辐结构将车辐受力原理引入到拱结构中，即按车辐式布置拉索系，形成一种索－拱杂交结构，称为车辐结构，如图3所示。目前，索－拱杂交结构中研究和应用较多的是斜拉索－拱结构。与纯拱结构相比，车辐结构的刚度显著提高，稳定性明显改善，而且拱脚的水平推力变得可以调节。图3车辐结构二、杂交结构及整体张拉结构体系1）车辐结构的概念5、车辐结二、杂交结构及整体张拉结构体系2）车辐结构的应用5、车辐结构车辐结构形式早在20世纪五六十年代在前苏联作为一种索拱体系提出，但直到1989年完成的汉堡历史博物馆庭院的玻璃屋顶(如图4所示)中才得到应用。二、杂交结构及整体张拉结构体系2）车辐结构的应用5、车辐结二、杂交结构及整体张拉结构体系5、车辐结构图4汉堡历史博物馆二、杂交结构及整体张拉结构体系5、车辐结构图4汉堡历史博二、杂交结构及整体张拉结构体系5、车辐结构图

伦敦航空眼（D=135m）二、杂交结构及整体张拉结构体系5、车辐结构图伦敦航空眼二、杂交结构及整体张拉结构体系3）车辐结构的问题5、车辐结构车辐结构设计中一个重要的问题是其选型问题。除了纯拱设计中包含的拱的跨度、矢跨比、轴线形式和截面形式等，还包括拉索的数量、索盘位置、辐射形式等。车辐结构设计的核心问题是其稳定性的计算，涉及到稳定承载力的确定及刚度的控制要求。通过非线性设计可以很好的解决这一问题，关于它们性能研究和设计理论，可参见清华大学的研究成果。二、杂交结构及整体张拉结构体系3）车辐结构的问题5、车辐结三、钢管结构1、钢管结构的概念近20年来，钢管结构在国内外得到了迅猛发展，在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、宾馆等建筑物中得到广泛应用。由于它的良好性能，在国内外应用较多且越来越广泛，见图10.16至图10.18。图10.16广州新白云机场航站楼图10.17南京站新建无站台柱雨棚三、钢管结构1、钢管结构的概念近20年来，钢管结构在国内外得三、钢管结构1、钢管结构的概念

广州市新中轴线电视塔日本大阪机场航站楼图10.18钢管结构三、钢管结构1、钢管结构的概念广州市新中轴线电视塔三、钢管结构1、钢管结构的概念目前工程中使用的钢管结构可按截面形状、结构形式和制作方法进行分类。按截面形式，钢管结构可分为圆管结构（CHS）、方（矩）形管结构（RHS）和其他形状三类。由于在外表和受力性能方面的优越性，圆管结构和方管结构的应用最广。按结构形式来分，钢管结构可分为网架（网壳）、桁架、框架和钢管混凝土结构四种。钢管结构形式是指采用圆管和方管作构件，管与管之间通过相贯焊接连接的形式。按制作方法来分，钢管结构可分为热轧钢管结构、冷轧钢管结构、焊接钢管结构三种。热轧钢管壁厚较厚、制作成本高，冷轧钢管壁厚相对较薄。三、钢管结构1、钢管结构的概念目前工程中使用的钢管结构可按截三、钢管结构2、钢管结构的特点一、相比于普通开口截面形式的型钢而言，圆管和方（矩）形截面具有表面平整、无死角和外表面积小等特点，这样有利于节省防腐和防火涂料，便于除尘。二、钢管截面的风阻力系数小，应用于暴露在流体（如风、水流）中时有着显著的优点。三、钢管结构的内部空间可利用。例如填充混凝土（钢管混凝土结构），不仅能提高构件的承载力，而且还能延长构件的耐火极限（平均可达2小时）；管内注水，可利用内部水循环进行防火。四、管内能够传输液体，目前已根据该特点开发了输油管桥、排雨水管等。五、管内还可以放预应力索，施加体内预应力三、钢管结构2、钢管结构的特点一、相比于普通开口截面形式的型三、钢管结构3、钢管结构的应用钢管结构中的管桁架结构以它独特的优势受到人们的青睐。在体育馆、航站楼、会展中心，娱乐中心等大跨度设施中得到了广泛的应用。管桁架，是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格子式结构。管桁架，是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格子式结构。桁架是指由杆件在端部相互连接而组成的格子式结构，管桁架即是指结构中的杆件均为圆管杆件。三、钢管结构3、钢管结构的应用钢管结构中的管桁架结构以它独特三、钢管结构3、钢管结构的应用三明市体育场馆三、钢管结构3、钢管结构的应用三明市体育场馆三、钢管结构4、钢管结构的问题管节点设计在管结构设计中占有非常重要的地位，它包括管节点局部应力应变分析、失效机制研究、弹塑性分析、设计参数研究、作用荷载和支管约束的影响、疲劳寿命等非常广泛的课题。管桁架的稳定性计算也是管结构设计中的核心内容，包括单根构件的稳定性计算和整体结构平面外的稳定性计算，特别对于大跨度的管桁架结构或管桁架拱形结构，其平面外整体稳定性的计算不可忽视。三、钢管结构4、钢管结构的问题管节点设计在管结构设计中占有非四、树枝结构1、树枝结构的概念树状结构是近年来采用的一种新结构，它实际上是一种多级分枝的立柱支承结构，主杆和枝杆均可由梁单元集成，枝杆顶端与屋盖结构相连，可减小屋盖结构的跨度、降低结构内力。四、树枝结构1、树枝结构的概念树状结构是近年来采用的一种新结四、树枝结构2、树枝结构的特点①结构有规律地分叉，由一点或几点向空间伸展，形状恰似树枝；②构件多采用圆钢管，具有良好的空间受力性能；节点多采用铸钢节点，具有较高的强度；③枝叉顶端与屋面结构连接，构成整体受力；④屋盖多采用轻型屋面体系。四、树枝结构2、树枝结构的特点①结构有规律地分叉，由一点或几四、树枝结构3、树枝结构的应用新颖的仿植物外形，使得树枝结构被应用于航空港、车站、码头、展览馆、厂房等结构中。四、树枝结构3、树枝结构的应用新颖的仿植物外形，使得树枝结构四、树枝结构3、树枝结构的应用四、树枝结构3、树枝结构的应用四、树枝结构4、树枝结构的问题树枝结构的应用先于其理论研究的步伐。虽然一些在国外和国内有影响的树枝结构已经建成，丰富了结构类型，给人以美的享受。但是作为一个结构体系的研究还不够完善，其最优布置形式、分叉形式、稳定性能、节点性能都还没有系统的研究成果，清华大学在这方面的研究工作有一定的进展。四、树枝结构4、树枝结构的问题树枝结构的应用先于其理论研究的五、玻璃结构及其支承体系1、玻璃结构的概念按支承结构分类：主体结构点支承玻璃幕墙、钢结构点支承玻璃幕墙、索杆结构点支承玻璃幕墙、自平衡索桁架点支承玻璃幕墙、玻璃肋支承点支承玻璃幕墙。按玻璃面板支承形式分类：四点支承、六点支承、多点支承、托板支承、夹板支承。2、玻璃结构的分类点式玻璃幕墙它的全称为金属支承结构点式玻璃幕墙。由玻璃面板、点支承装置和支承结构构成的建筑玻璃幕墙。

五、玻璃结构及其支承体系1、玻璃结构的概念按支承结构分类：2五、玻璃结构及其支承体系3、玻璃结构的结构支承体系常用的结构支承体系可以分为下面几类：①单杆构件或钢桁架支承体系；②索桁结构支撑体系；③拉索(杆)桁架支承体系；④单索网格支撑体系等。其中，拉索(杆)结构支承体系在现在的点支承玻璃幕墙中得到了广泛的应用。五、玻璃结构及其支承体系3、玻璃结构的结构支承体系常用的结五、玻璃结构及其支承体系五、玻璃结构及其支承体系五、玻璃结构及其支承体系4、点支承玻璃幕墙特性

①通透性好②灵活性好③安全性好④工艺感好⑤环保节能性好五、玻璃结构及其支承体系4、点支承玻璃幕墙特性①通透性好六、拱形钢结构1、拱形钢结构的形式①实腹式截面拱形钢结构；②腹板开洞(孔)的实腹式截面拱形钢结构；③管桁架式拱形钢结构。钢结构拱由于其自重轻，特别在全跨荷载作用下具有良好的受力特性，更适合于大跨度结构，但在偏跨荷载作用下其刚度较弱。与钢结构直构件相比，钢结构拱表现出的稳定问题十分突出而且相当复杂，常常是拱结构设计的控制因素。2、拱形钢结构的特性六、拱形钢结构1、拱形钢结构的形式①实腹式截面拱形钢结构；钢六、拱形钢结构3、拱形钢结构的应用

图10.25腹板开洞的工形截面10.26金昌机场航站楼玻璃结构在我国大量兴建，建筑师为了追求通透的效果，愈来愈多地采用了开洞的实腹式拱形结构或构件。六、拱形钢结构3、拱形钢结构的应用图10.25腹板六、拱形钢结构3、拱形钢结构的应用桁架拱形结构广泛地应用于大跨度结构中，如体育馆、会展中心、航站楼等。图

桁架拱结构六、拱形钢结构3、拱形钢结构的应用桁架拱形结构广泛地应用于大六、拱形钢结构4、拱形钢结构的问题拱形钢结构都存在平面内极值点失稳、平面内二次分岔失稳及平面外失稳三种可能性，它们构成了拱形钢结构稳定性计算和设计理论的核心内容。但是，由于拱形结构的轴线呈曲线变化，其失稳模式呈多样性和不确定性，给其稳定问题的计算带来了一定的难度，致使人们对拱形钢结构在大挠度弹塑性范围内的失稳机理及稳定极限承载力的研究工作大大滞后，至今没有形成成熟且完整的稳定性设计理论和计算方法；在拱结构设计中，设计人员更多的是验算拱形钢结构的强度和刚度，忽略了拱形结构稳定性的计算，即使进行面内稳定性计算，也往往是在线弹性范围内，很难考虑材料的弹塑性及初试缺陷的影响；平面外的稳定性更是没有合理的计算和评价方法。六、拱形钢结构4、拱形钢结构的问题拱形钢结构都存七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙1、钢板剪力墙的概念钢板剪力墙结构指在钢框架结构基础上为提高结构刚度及抗震性能而在部分框架梁柱间内填钢板的结构。钢板墙的组成示意图七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙1、钢板剪力墙的七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙1、钢板剪力墙的概念加拿大钢结构设计规范CSAS16-01定义：钢板剪力墙是一种有横向加劲的墙板，用以在结构中抵抗侧力。柱子作为墙板的翼缘构件，框架梁作为墙板的横向加劲。薄钢板与其周围的梁柱在各层连接构成内填板构件。内填板周边约束梁柱分别简称为周边柱、周边梁，非内填板约束构件称为框架梁、框架柱。七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙1、钢板剪力墙的七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙2、钢板剪力墙的分类（1）无加劲钢板剪力墙；（2）加劲板钢板剪力墙；（3）开缝钢板剪力墙；（4）钢板-混凝土组合剪力墙。a)无加劲钢板剪力墙b)加劲钢板剪力墙七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙2、钢板剪力墙的七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙2、钢板剪力墙的分类

c)带缝钢板剪力墙d)组合钢板剪力墙图1.1钢板剪力墙分类七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙2、钢板剪力墙的七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙2、钢板剪力墙的分类

图1.2无加劲钢板剪力墙七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙2、钢板剪力墙的七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙3、钢板剪力墙的特点①抗震性能良好②结构自重轻③施工速度快④钢板墙体无需布满整个梁跨，这样可以非常方便地在需要的地方开门、窗洞口置在门窗洞之间，克服一般斜撑对门窗洞产生的遮挡。⑤本身厚度小，即使加上防火、保温涂层，其体积也远小于钢筋混凝土墙体，占用建筑面积小七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙3、钢板剪力墙的七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在国内外工程应用及在地震中的表现钢板墙已成为一种非常具有发展前景的高层抗侧力体系，尤其适用于高烈度地震区建筑。1970年建于日本京都的NIPPONSTEELBUILDING是世界第一栋钢板剪力墙结构建筑。近年来在国内也得到了诸多研究者的关注，并在北京国贸大厦三期工程，天津市津塔工程等大型项目中得到了应用，有着独特优势并有良好发展前景。七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在国内外工程应用及在地震中的表现

图1.3北京国贸三期工程施工及钢板剪力墙布置[2]七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在国内外工程应用及在地震中的表现图1.4天津津塔大厦效果图及分析模型（ABAQUS/EXPLICIT）七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙应用钢板剪力墙结构的部分建筑名称层数完工日期建设地点备注Nippon201970日本京都

Shinjuku531978日本京都

HyattRegencyHotel301988美国达拉斯

OliveView61971美国加利福尼亚应用于旧金山地震修复KobeOffice351988日本神户阪神地震后完好锦江饭店461989中国上海

FederalCourthouse242004美国西雅图

北京国贸大厦三期742007中国北京

津塔大厦75在建中国天津

七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙应用钢板剪力墙结七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在国内外工程应用及在地震中的表现图10.30为在建的位于洛杉矶51层高的建筑。该建筑采用钢板墙作为主要抗侧力体系。我国44层的上海新锦江饭店核心筒也采用了钢板墙结构，其钢板厚为100mm。七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在国内外工程应用及在地震中的表现采用钢板墙的建筑已经历过实际的地震考验并且有着良好的表现。最为成功的一例是神户的一幢35层129.4m高的大楼(KobeCityHall，图10.31后图)，该楼于1988年建成，经受了1995年阪神大地震。七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙4、钢板剪力墙在七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙5、钢板剪力墙的问题钢板剪力墙结构虽然已经很多投入工程应用，但其结构的整体抗震性能却由于问题的复杂性和分析的困难性，基本没有得到系统研究。虽然研究者们对钢板剪力墙构件的抗震性能及其影响因素研究的较为成熟全面，但对整体结构的动力特性及其在地震作用下的受力与变形特征、水平地震剪力分配特征、结构耗能机理的认识基本上还处于空白状态，需要进行系统研究与总结。七、高层钢结构新型抗侧力体系——钢板剪力墙5、钢板剪力墙的八、防屈曲耗能支撑1、防屈曲耗能支撑的概念为解决普通支撑受压屈曲以及滞回性能差的问题，在支撑外部套管，抑制支撑的受压屈曲，构成防屈曲耗能支撑

防屈曲耗能支撑的构成八、防屈曲耗能支撑1、防屈曲耗能支撑的概念为解决八、防屈曲耗能支撑2、防屈曲耗能支撑的构造防屈曲耗能支撑在构造上由核心单元和外围约束单元两个基本部件组成，二者之间由无粘结涂层隔开，如图10.32所示。核心单元有一字板形、十字板形、丁字形以及矩形等多种形式，他们通常采用低屈服点钢材(如日本采用LYl00和LY225)，以保证内核在塑性范围内有足够的延性及变形能力；外围约束单元由矩形或圆形钢管及内填的细石混凝土组成；二者组合可构成多种不同的截面形式，图10.33给出了其中的几种。八、防屈曲耗能支撑2、防屈曲耗能支撑的构造防屈曲八、防屈曲耗能支撑2、防屈曲耗能支撑的构造八、防屈曲耗能支撑2、防屈曲耗能支撑的构造八、防屈曲耗能支撑3、防屈曲耗能支撑的受力机理轴向拉力和压力仅由核心单元承受．为避免核心单元轴压时发生屈曲，利用外围约束单元提供侧向约束；为了确保外围单元不传递轴向荷载且又保持有效约束，需要在核心单元与约束单元间设置隔绝层。内核单元仅与框架梁连接，从而保证压力和拉力只由内核单元承受。八、防屈曲耗能支撑3、防屈曲耗能支撑的受力机理八、防屈曲耗能支撑4、防屈曲耗能支撑的应用防屈曲耗能支撑在日本和美国有广泛的应用市场，可以应用在已建结构及新建结构中，图10.34是防屈曲耗能支撑在日本某工程中的应用。八、防屈曲耗能支撑4、防屈曲耗能支撑的应用防屈曲耗能支撑在日八、防屈曲耗能支撑4、防屈曲耗能支撑的应用1994年北岭地震后，美国开始对防屈曲耗能支撑体系进行研究，到目前为止，已经建成或正在建造的使用此支撑的结构达30余栋。目前美国大多数使用防屈曲耗能支撑的建筑物都在美国西部（加州最多）。大陆地区正在建设的北京威盛大厦和北京银泰中心大厦也开始使用了防屈曲耗能支撑，并进行了相关的抽样检测和试验研究，西部机电科技商务中心钢结构工程采用日本新日铁株式会社的无粘结支撑，并进行了弹塑性地震时程响应分析。八、防屈曲耗能支撑4、防屈曲耗能支撑的应用199八、防屈曲耗能支撑4、防屈曲耗能支撑的应用图9银泰中心建筑北立面图图10银泰中心防屈曲支撑的安装八、防屈曲耗能支撑4、防屈曲耗能支撑的应用图9银泰中心建九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件1）梭形格构式受压构件的概念格构柱：属于压弯构件，多用于厂房框架柱和独立柱，优点在于很好的节约材料；截面一般为型钢或钢板设计成双轴对称或单轴对称的截面。格构体系构件由肢件和缀材组成。格构柱可能是主要的应用形式，有缀条柱和缀板柱。格构柱的主要思想是：将材料面积向距离惯性轴远的地方布置，能保证相同轴向抗力条件下增强构件抗弯性能，并且节省材料。九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件1）梭形格构式受九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件2）梭形格构式受压构件的形式梭形柱主要作为受压承重构件，可分为实腹式梭形构件和格构式梭形构件；实腹式梭形构件以圆钢管、方形钢管和十字形居多，格构式梭形构件大多由圆钢管组成，有两肢、三肢及多肢梭形格构柱；梭形柱建筑造型新颖，稳定性承载力高，是建筑与结构的完美结合；但是，梭形柱制作工艺较复杂，加工费用高。九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件2）梭形格构式受九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件3）梭形格构式受压构件的应用梭形格构管柱构件作为近年来出现的一种新型的受力构件形式，在实际工程中的应用日趋广泛，如英国千年穹顶的八管梭形格构柱和我国广州新白云国际机场航站主楼与连接楼的三管梭形格构柱，分别见图10.35和图10.36。九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件3）梭形格构式受九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件图10.35英国千年穹顶九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件图10.35英九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件图10.36新白云机场梭形格构柱九、新型构件及铸钢节点1、梭形格构式受压构件图10.36新九、新型构件及铸钢节点2、腹板开洞钢梁及拱1）腹板开洞钢梁及拱的由来随着人们生活水平的提高，建筑物不再仅仅满足结构受力要求就可以了，人们还提出了美学的要求和使用的要求。所以拱出现了各种不同形式的变化，比如，腹板开洞的拱、变截面的拱、与索杂交的拱等。其中，腹板开洞的梁和拱就是一种颇具特色的结构形式(图10.37)。九、新型构件及铸钢节点2、腹板开洞钢梁及拱1）腹板开洞钢梁及九、新型构件及铸钢节点2、腹板开洞钢梁及拱1）腹板开洞钢梁及拱的由来图10.37青岛流亭机场九、新型构件及铸钢节点2、腹板开洞钢梁及拱1）腹板开洞钢梁及九、新型构件及铸钢节点2、腹板开洞钢梁及拱2）腹板开洞钢梁及拱的特点从结构的观点来看，在相同重量的情况下，由于翼缘离中和轴远了，截面更加扩展，所以截面的强轴抗弯能力提高了。因此，由这样的截面的结构效率更高，适合于从中等跨度到大跨度的各种结构。开洞的种类也是多种多样的，比如圆形洞，蜂窝洞等。九、新型构