结构概念和体系：第3章 网架体系

五、网架体系(LatticegridSystem)一、屋架、屋面板及支撑系统组成的水平结构体系(TheHorizontalStructuralSystemCombinedbyTrusses、panelsandBraces)

二、装配式梁板组成的楼盖或屋盖(

FloororRoofCombinedbyassemblybeamsandpanels)三、装配整体式楼(屋)盖(Assembly-MonolithicConcreteFloor(Roof))五、网架体系(LatticegridSystem)六、张拉索结构(Tension-CableStructure)四、现浇钢筋混凝土楼(屋)盖(MonolithicReinforcedConcreteFloor(Roof))3.2结构水平体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

截面为三角形的空间桁架（北京：燕山石化仓库）下弦上弦上弦3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

网架体系(LatticegridSystem)

是由两个方向交叉布置的空间钢桁架组成。

网架杆件一般都采用无缝钢管，节点采用球节点，因为同一节点上要与多根钢管连接，采用球节点构造简单，易于对中，确保杆件以轴力为主。球节点可以是焊接，也可以是螺栓接点。(a)(b)(c)(d)3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

网架体系受力状态与双向密肋楼盖相似，以钢桁架代替钢筋混凝土梁，自重减轻，有效高度增大，承载力大大提高，可以跨越更大跨度。近年国内有许多体育场馆采用网架屋盖，网架按其斜杆布置方式不同可分为很多种形式。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

上海体育馆（Gymnasium）三向平面网架结构，直径110

m,1983年第五届全国运动会在上海召开,这里是主体育馆。3.2结构水平体系的主要类型和特点

五、LatticegridSystem

上海体育馆平面图、剖面图及三向网架3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

上海体育馆（三向平面网架结构）3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京

首都体育馆（矩形平面网架屋盖）3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

哈尔滨

戏水乐园（外景）3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

戏水乐园工程概况戏水大厅为乐园的主体，建筑面积近8000

m2，取变异的扇形平面，这种平面具有明显的扩展趋势，站在泳池前面对大厅视角可达100°，是矩形平面的两倍左右。扇形跨度为104

m，屋面及侧面采光，由于室内有水滑梯跌落，将屋面取为坡降式，净高由40

m倾斜而下至3.6m，既减少了空间，节省了能源，也营造出独具一格的空间形式。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

戏水乐园斜置的平面网架戏水大厅剖面3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

戏水乐园（内景）3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京国际展览中心3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京

国际展览中心平面网架3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

这类网架总体看象一块巨型平板，其受力状态，也与平板相似，跨中弯距最大，剪力很小。可见，网架跨中附近弦杆内力最大，弦杆直径和壁厚也较大；支座附近剪力最大，斜腹杆内力也最大，管径比较粗，管壁也较厚。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

我们还可对平面网架进行改进

例如，适当提高网架中部的高度，既可以减小跨中弦杆内力，同时形成中间略高的屋面形状，有利于屋面排水。网架也可做成曲面形状，此时，从宏观看网架象个“壳”，故称网壳，其受力状态将更为合理。

网壳(LatticeShell)体系

网壳的受力状态与壳相似，弯矩较小，具有更大的空间刚度。在大跨结构中，应用较多。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

平面为矩形的双曲抛物面可以用一条直线沿另两条互不平行的直线移动而得，很象把一个四边形扭一下形成，所以这一类薄壳通常也称为扭壳。沿这两个直线方向布置桁架就可构成扭壳。扭壳在竖向荷载下向上凹的主曲率方向是主拉应力方向，而向下凹的主曲率方向是主压应力方向。沿这两个主曲率方向布置单层钢管或索也可以形成扭壳曲面。因为此时构件的弯矩很小。

扭壳可以单个使用，也可组成各种组合形状。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京石景山体育馆3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京石景山体育馆3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

石景山体育馆（施工阶段）3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

石景山体育馆斜柱（斜柱两肢间开天窗）3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

石景山体育馆斜柱柱脚3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

平面为三角形，三斜柱斜柱形成一个“三角架”。从三角形平面每个边长中点处(斜柱基础附近)分别向上伸出两根变斜面斜梁，相交在三角形三顶点上空。这样，总体上看出体育馆屋面是由三块扭曲的四边形组成，每块四边形屋盖结构由沿着四边形边长方向布置的网架组成扭壳曲面，称“网壳”。网壳比平面网架受力更合理，荷载下的变形也更小。网架沿平行于四边形边长方向布置时，天棚分格比较简洁，但在局部荷载和风荷作用下会产生一定的弯矩和扭矩，所以这样布置的网壳一般应布置成双层网壳，即网壳有上、下两层弦杆，中间设有斜杆。宏观来看，就象两个方向交叉布置的桁架，每个网架上的荷载都传给周围的四边形边框，最后传给基础。四边形边框翘起的三个角，正好是体育馆的三个入口。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

石景山体育馆屋面网架布置网架网架檩条3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京

石景山体育馆

内景3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

哈尔滨工业大学体育馆外景3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

哈尔滨工业大学体育馆

平面为八角形，屋盖由四块四边形网壳组成，每块四边形的四条边不在同一平面内，形成扭壳曲面。主要承重结构沿曲面两个主曲率方向布置，在竖向荷载下，向上凹方向曲线杆件，象悬索；向下凹方向曲线杆件，象拱。

可以看出，这样布置的网壳和双曲抛物面上布置双向悬索十分相似，网壳弯矩和扭矩都较小，一般可布置成单层。与双向悬索屋面相比，在局部荷载或风荷载下，钢管网架是刚性结构，有一定刚度，可以承受局部弯矩，变形较小；而悬索的抗弯刚度为零，一般都应对双向悬索施加预应力，以减小荷载下的变形。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

哈尔滨工业大学体育馆

平面图一层平面二层平面3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

哈尔滨工业大学体育馆内景3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京体育学院体育馆3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

北京体育学院体育馆

内景3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

哈尔滨

黑龙江速滑馆

外景3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

黑龙江速滑馆工程概况

黑龙江速滑馆地处哈尔滨南岗区高地边缘，冰上基地院内，采用圆柱体和球体结合的体形，面积22200m2，跨度86.2m，长度191.2m，速滑馆平面为椭圆形，与环形冰道紧密呼应，1996年冰城哈尔滨举办第三届亚洲冬季运动会，速滑比赛就在这里进行。黑龙江速滑馆是目前我国最大的室内体育馆。屋盖结构和屋面是大跨建筑的技术关键，选型得当可以显著缩短工期和节省投资。

3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

黑龙江速滑馆（内景）3.2结构水平体系的主要类型和特点

五、LatticegridSystem

黑龙江速滑馆（内景）

网壳中间柱面壳部分采用正四角锥体系，两端球壳部分采用三角锥体系，所有节点都采用螺栓球节点；网格尺寸3m，双层网壳厚度为2.1m。整个网壳由16000多根杆件和近4000个节点组成，结构施工图和另件加工图均由计算机完成。网壳总用钢量为745t,折算单位水平面积的用钢量约为50kg/m2。

网壳屋盖沿周边支承在环梁和由立柱及斜杆组成的三角形框架结构上，框架间距6~9m。环梁采用矩形截面（1450mm×770mm）劲性钢筋混凝土结构，框架立柱截面600mm×600mm，斜柱截面1200mm×600mm，速滑馆地面标高处的外轮廓尺寸为101.2m×206.2m。中部柱面壳在室内地面以下－6.45m标高处设预应力混凝土拉杆，以承受斜柱的水平推力；两端球壳部位水平推力较小，用桩基来承受水平推力。网壳结构自重轻，刚度大，很适合建造大跨屋盖。3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

黑龙江速滑馆（内景）3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

2009年2月第24届世界大学生冬季运动会在哈尔滨举行，黑龙江省速滑馆按照国际标准进行了全面改造。并安装了以无影玻璃制成的采光顶（宽18m、长123m），白天训练比赛可只用自然光照明，这种大面积无影玻璃采光带在世界所有速滑馆中属首创，屋面板采用360度咬口，整个屋面没有一个钉眼，可确保不漏水，馆内温度也比改造前有较大的提高，达到了既采光、又节能的效果。新增采光带18m×123m3.2结构水平体系的主要类型和特点

五、LatticegridSystem巴黎小城博物馆放映大厅球形网壳外挂玻璃幕3.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

上海长宁区体育馆（网壳结构）33.2结构水平体系的主要类型和特点五、LatticegridSystem

天津体育馆（网壳结构）六、张拉索结构(Tension-CableStructure)一、屋架、屋面板及支撑系统组成的水平结构体系(TheHorizontalStructuralSystemCombinedbyTrusses、panelsandBraces)

二、装配式梁板组成的楼盖或屋盖(

FloororRoofCombinedbyassemblybeamsandpanels)三、装配整体式楼(屋)盖(Assembly-MonolithicConcreteFloor(Roof))五、网架体系(LatticegridSystem)六、张拉索结构(Tension-CableStructure)四、现浇钢筋混凝土楼(屋)盖(MonolithicReinforcedConcreteFloor(Roof))3.2结构水平体系的主要类型和特点(TheMajorStylesandCharacteristicsofHorizontalStructuralSystem)3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure

有明显屈服点的拉杆，在轴力作用下的应力σ可表达为σ=N/A≤fy

式中：N——轴力设计值；

A——拉杆截面积；目前，国产的高强钢丝强度已达1860N/mm2，一根7φ5钢绞线的截面积为139mm2，而其最大负荷可达259kN。新型碳纤维的抗拉强度更高，自重更轻。在基本受力状态一节里曾介绍过轴心受拉构件可见，轴心受拉是一种很好的受力状态。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure

蜘蛛网也许是世界上最有效的张拉索结构。它结构合理、自重轻、承载力大。猎物的挣扎以及冷凝雾水的重力等一般都不能把它扯坏。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure张拉索结构

以高强钢丝、钢绞线为主要承重结构，是超大跨度结构的主要形式。张拉索结构按其拉索的布置也可分为多种形式：(一)斜拉索结构

这种结构以直线形斜拉索为水平结构提供中间支座。右图为上海杨浦大桥(主跨602m)斜拉索桥柱结构。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure上海杨浦大桥3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure上海杨浦大桥3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure斜拉索桥的各种形式3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure早期稀索体系斜拉桥3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure松花江斜拉桥

(施工现场)3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure不对称的斜拉桥3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure单侧斜拉桥

(哈尔滨太阳岛)

3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure法国

诺曼底大桥

（NormandyBridge）

3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure法国诺曼底大桥

(NormandyBridge)(施工中)3.2结构水平体系的主要类型和特点六、Tension-CableStructure斜拉桥悬臂施工3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure斜拉索桥安装示意图斜拉索桥可充分利用自身的拉索来进行安装，基本不需要额外的临时支承结构，这是非常突出的优点，可大大节省施工费用。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure交叉立柱斜拉索桥3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure固接体系斜拉索桥(桥墩、梁、柱固接)

3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure半漂浮支承体系斜拉索桥

3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure漂浮体系斜拉索桥3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure苏通长江大桥－世界最长的斜拉索桥大桥从苏州跨过长江到南通，离长江出海口108km，桥长8,146km,2003年6月开工，已于2007年9月通车。大桥创四项世界记录：斜拉桥主跨1088m;大桥主塔高达300.4m;主桥最长斜拉索长达577m;基础桩径为3m,桩长131m，主塔承台118m×52m，用混凝土60,000m3。苏通长江大桥施工现场3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure(二)悬索结构

(SuspendedCableStructure)

以下垂的悬索为主要承重结构，荷载均悬挂在主索上。悬索结构的主索只承受拉力，其抗弯刚度为零，不能承受任何弯矩，所以悬索的形状会随着荷载的变化而改变。

当悬索自动把形状调整到沿悬索全长弯矩处处为零时，就达到平衡状态。根据力学原理可知，此时悬索的形状正好与简支梁的弯矩图形状一致。现将几种典型荷载下的悬索形状介绍如下：a)悬链线b)抛物线c)圆3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure

此时，项链上仍保持处处弯矩为零。根据力学原理可知，此时的曲线实际上就是在项链自重及跨中集中力(鸡心挂坠)共同作用下的弯距图形状，只有当悬索结构形状与其相应简支梁的弯矩图形状完全吻合时，悬索内的弯矩才等于零。可见，悬索结构是一种柔性结构。

1.悬链线

当重力荷载沿索长度方向均匀分布时，会形成悬链线。例如项链在自重作用下的形状就是悬链线(见图a)，此时，项链上处处弯矩为零。如果我们在项链中间挂一个鸡心挂坠(即施加一个集中力)，项链就会自动调整形状，达到图中细线所示的新曲线形状(即在项链和鸡心坠共同作用下的弯矩图形状)才会平衡下来。

在真实的工程结构中，结构自重都很大，悬索的形状主要由结构自重决定。相对来说可变荷载所占比例很小，它对悬索形状的影响不大，往往不被人们察觉。就好比一只小小的蚊子，停落在一条项链上，它对项链形状的影响就微不足道了。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure

2.抛物线

当荷载沿跨度水平方向均匀分布时，悬索就会形成抛物线（图b）。常见的悬索桥就属于这种情况，桥面自重沿跨度水平方向基本上均匀分布(悬索自重与桥面结构重力相比非常小，可以近似地忽略它的影响)，悬索形状正好和相应简支梁的弯矩图一致，为抛物线。美国旧金山著名的金门大桥就是这种悬索结构，跨越海峡的主跨跨度达1280m。

b)抛物线3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure美国旧金山（SanFrancisco）金门大桥（GoldenGateBridge）主跨1280m，主索直径910mm，悬索下垂122m，1937年建成，曾保持27年世界大桥跨度记录江阴长江公路大桥

(1999年10月通车)

全长3071m，桥面宽33.8m,按6车道高速公路设计，主跨跨度1385m，框架式钢筋混凝土塔柱高193m，桥下通航净高50m。每根主缆直径0.9m，由二万多根直径5.35mm的镀锌高强钢丝组成，两根主缆总重达17000t；主桥箱形截面钢梁（36.9m×3m）用钢达18000t。北锚碇采用大型深沉井基础,尺寸为69m×51m×58m，为世界第一大沉井；南锚碇为90000m3混凝土的重力锚。

特大跨悬索桥

世界排名第一：日本本州与四国之间的明石海峡大桥，1998年建成，主跨达1991m，曾经受神户大地震考验。

世界排名第二：丹麦的亨伯大桥，主跨1624m；

世界排名第三：英国的亨伯尔（Hamber）桥，建成于1981年，主跨1410m；

世界排名第四：江阴长江公路大桥，建成于1999年，全长2888m，主跨1385m。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure斜拉索-悬索组合体系c)圆3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructurea)悬链线

3.圆形

当荷载为径向均布荷载时圆形结构最合理（见图c），这种情况通常在充气结构、承压管道或圆形张拉索结构中出现。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure北京工人体育馆

双层张拉束结构，下层为承重束，上层为稳定束，中间设有张拉环，沿周边设有钢筋混凝土环形边梁，以承受巨大的压力。对这种双层张拉束施加一定的预应力，可提高屋盖的稳定性。这种屋盖宏观来看就像一个平放的自行车轮子。剖面四层平面3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure

悬索截面很细，不能承受弯矩，在荷载状态改变时，例如风荷载或其它可变荷载作用下，与其它结构相比，变形相对要大一些。在建筑结构中，通常需沿两个曲率相反的主曲率方向布置悬索，向上凹方向为承重索，向下凹方向为稳定索，以帮助承受可能发生的反向内力，减小承重索在荷载状态改变时的变形。一般应对悬索适当施加预应力，以提高刚度，减小变形。马鞍形悬索屋盖3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure

张拉索结构应用在房屋屋盖体系中的工程实例很多，形式也各不相同，有时可利用斜拉索（DiagonalTension-Cables）为大跨度梁或桁架提供中间弹性支座，以减小大梁的跨度。北京亚运村的体育馆就采用了这种方案。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure北京

朝阳体育馆（主悬索为大跨拱提供中间吊点）

在许多悬索结构中，美国明尼亚波利斯(Minneapolis)联邦储备银行大厦的结构设计很有特色。此银行为一座11层大楼，跨度达83.2

m，用悬索作为主要承重结构，悬索锚固在两侧的两个筒体结构上，筒体承受大楼的全部竖向荷载。柱顶设有大梁，以平衡悬索在柱顶产生的水平力，整个大楼就支承在悬索和顶部大梁上。索的水平力将由柱顶大梁来平衡，相当于给大梁施加一个压力。可以看出，只要精心调整索对大梁的偏心距，可以大大减小大梁的弯矩。3.2结构水平体系的主要类型和特点

六、Tension-CableStructure美国明尼亚波利斯(Minneapolis)联邦储备银行桁架筒体七、膜结构(MembraneStructure)五、网架体系(LatticegridSystem)