大跨度空间结构的新发展分解.docx

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大跨度空间结构的新发展分解

阶段测试论文

大跨度空间结构的新发展

学生姓名：

专业班级：

2013级土木工程（卓越工程师）二班

指导教师：

学院：

土木工程学院

2016年4月

大跨度空间结构的新发展

摘要

大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。

世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。

大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩,由受力特点分成刚性体系，柔性体系和杂交体系。

关键词　刚性体系，柔性体系，杂交体系，大跨空间结构

目录

摘要

1前言1

1.1大跨空间结构的概念和应用1

1.2大跨度空间结构的发展1

1.2.1我国大跨度空间结构的发展1

1.2.2他国经典大跨度空间结构2

2刚性结构5

2.1网架结构5

2.1.1网架结构的类型5

2.1.2网架结构的主要特点5

2.1.3网架结构实例6

2.2网壳结构6

2.2.1网壳结构的类型6

2.2.2网壳结构的主要特点6

2.2.3网壳结构实例7

3柔性结构8

3.1悬索结构8

3.1.1悬索结构的类型8

3.1.2悬索结构的主要特点8

3.1.3悬索结构实例8

3.2膜结构9

3.2.1膜结构的类型9

3.2.2膜结构的主要特点9

3.2.3膜结构实例9

4杂种结构10

4.1刚性结构之间的组合10

4.2柔性结构之间的组合10

4.3柔性拉索与刚性结构间的结合10

结论11

参考文献12

致谢13

前言

大跨空间结构的概念和应用

横向跨越60米以上空间的各类结构可称为大跨度空间结构。

大跨空间结构应用范围不断扩大、结构跨度骤增，除在体育场馆、航站楼与飞机库、影剧院、展览馆等大跨度公共建筑中大量采用外，在新建大、中型铁路客站候车大厅、无站台柱雨篷和高层建筑结构中也获得了应用。

大跨度空间结构的发展

大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。

世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。

这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。

我国大跨度空间结构的发展

我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱,但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要,近十余年来也取得了比较迅猛的发展。

工程实践的数量较多,空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化,相应的理论研究和设计技术也逐步完善。

以北京亚运会、哈尔滨冬季亚运会、上海八运会、广州九运会、国家体育场鸟巢、上海世博馆等的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构———作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都取得了一定影响。

图1.1北京亚运会

图1.2哈尔滨冬季亚运会

图1.3北京鸟巢

图1.4上海世博馆

他国经典大跨度空间结构

1.名古屋巨蛋

名古屋巨蛋是日本职棒重要的棒球场之一，位于名古屋市，于1997年落成启用至今，是可容纳40500多人的多功能比赛场地。

图1.5名古屋巨蛋

2.悉尼歌剧院

悉尼歌剧院，位于悉尼市区北部，是悉尼市地标建筑物，由丹麦建筑师约恩·乌松设计，一座贝壳形屋顶下方是结合剧院和厅室的水上综合建筑。

歌剧院内部建筑结构则是仿效玛雅文化和阿兹特克神庙。

该建筑1959年3月开始动工，于1973年10月20日正式竣工交付使用，共耗时14年。

图1.6悉尼歌剧院

3.耶鲁冰球馆

耶鲁冰球馆由美国建筑师小沙里宁设计，1958年建于康涅狄格州纽黑文，是当时大胆地运用现代科学技术成果，把建筑造型升华到雕刻艺术领域的最好作品之一。

其屋顶的正中是一条弓形的脊梁，向两边拉着悬索屋顶，如同一座颇具想象力的帐篷，可同时容纳3000人。

图1.7耶鲁冰球馆

4.慕尼黑安联球场

慕尼黑安联球场以它精巧的结构壮丽的外观，成为慕尼黑以至于德国的荣耀。

安联体育场被选作2006年德国世界杯开幕式赛场。

这座可以容纳75000人的球场在2005年5月30日和31日正式启幕，由慕尼黑1860队和德国最成功的俱乐部拜仁慕尼黑队联合出资建造。

图1.8慕尼黑安联球场

刚性结构

刚性空间结构体系是指刚性构件构成的具有很好刚度的的空间结构体系，包括薄壳结构、空间网格结构及立体桁架结构。

空间网格结构根据外形又分为网架结构和网壳结构。

网架结构呈平板状，网壳结构外形呈曲面状

网架结构

由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的高次超静定空间结构体系,其中双层或多层平板形网格结构称为网架结构或网架。

它通常是采用钢管或型钢材料制作而成。

目前中国的网架结构绝大部分采用板型网架结构。

图2.1网架结构

网架结构的类型

目前国内外常用的网架结构，可分为三大类，13种具体的网架形式。

1.平面桁架系网架

平面桁架系网架是由平面桁架交叉而成，根据平面形状和跨度大小、建筑设计对结构刚度的要求等情况，网架可由两向平面桁架或三向平面桁架交叉而成。

具体分为

1）两向正交正放网架

2）两向正交斜放网架

3）两向斜交斜放网架

4）三向网架

5）单线折线形网架

2.四角锥体系网架

倒置的四角锥体是四角锥体系网架的组成单元。

这类网架上下弦平面内的网格均呈正方形。

上弦网络的形心即时下弦网格的交点。

根据单元体连接方式的变化，四角锥体系的网架有以下5种形式。

1）正放四角锥网架

2）正放抽空四角锥网架

3）斜放四角锥网架

4）棋盘形四角锥网架

5）星形四角锥网架

3.三角锥体系网架

三角锥体系网架是以倒置的三角椎体为其组成单元。

包括三种三角锥网架体系。

1）三角锥网架

2）抽空三角锥网架

3）蜂窝形三角锥网架

网架结构的主要特点

空间工作,传力途径简捷;重量轻、刚度大、抗震性能好;施工安装简便;网架杆件和节点便于定型化、商品化、可在工厂中批量生产,有利于提高生产效率;网架的平面布置灵活,屋盖平整,有利于吊顶、安装管道和设备;网架的建筑造型轻巧、美观、大方,便于建筑处理和装饰。

网架结构实例

奥运会国家体育馆采用施加预应力技术的双向正交张弦桁架结构,平面尺寸达114ｍ×144ｍ,用钢量只有90ｋｇ/ｍ2,是一种轻质高效的大跨度空间结构,见图2.1。

全运会济南体育馆选用了三圈肋环形布置的弦支球面单层网壳结构,跨度达122ｍ,这是当前世界上最大跨度弦支穹顶,建筑外形像一朵含苞欲放的荷花,是一幢标志性体育建筑,见图2.2。

图2.2奥运会国家体育馆

图2.3全运会济南体育馆

上海网球中心体育馆位于上海，体育中心的网球馆，网球馆为地上一层，局部三层，主要功能为网球训练场馆和其他辅助功能，最大高度20.3米，消防水泵房部分为地下一层。

上部采用钢筋混凝土框架结构，屋顶采用网架结构，网球馆总建筑面积：

2614.40平方米，泵房：

161.51平方米。

图2.4上海网球中心体育馆

上海大舞台（ShanghaiGymnasium），坐落在上海西南地区，著名的华亭宾馆对面，原名上海体育馆。

上海体育馆是国内大型的体育馆之一，1975年建成使用。

主馆呈圆形，高33米，屋顶网架跨度直径110米，可容纳观众18000人。

大舞台分为上、下两层结构，舞台平面呈橄榄型,舞台左右两端最大有效使用距离60米,前后最大纵深32米,舞台面积约1250平方米。

大型文艺演出可容纳观众8000-10000人左右，体育比赛可容纳观众12000人。

图2.5上海大舞台

网壳结构

网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律的布置而组成的空间结构体系，其受力特点与薄壳结构类似，大部分荷载是由网壳杆件的轴向力承受。

它具有自重轻、结构刚度好等一系列特点，不同曲面的网壳可提供各种新颖的建筑造型。

图2.6网壳结构

网壳结构的类型

网壳结构的类型主要有球面网壳、双曲面网壳、圆柱面网壳、双曲抛物面网壳等。

网壳结构的主要特点

网壳结构兼具杆系和壳体的性质。

主要特性是杆件比较单一,受力比较合理,其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力;结构的刚度大、跨越能力大;可以用小型构件组装成大型空间,小型构件和连接节点可以在工厂预制;安装简便,不需大型机具设备,综合经济指标较好;造型丰富多彩,不论是建筑平面还是空间曲面外形,都可根据创作要求任意选取,是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。

网壳结构实例

国家大剧院外部为钢结构壳体呈半椭球形，平面投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，比人民大会堂略低3.32米，基础最深部分达到-32.5米，有10层楼那么高。

国家大剧院壳体由18000多块钛金属板拼接而成，面积超过30000平方米，18000多块钛金属板中，只有4块形状完全一样。

钛金属板经过特殊氧化处理，其表面金属光泽极具质感，且15年不变颜色。

中部为渐开式玻璃幕墙，由1200多块超白玻璃巧妙拼接而成。

椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达3.55万平方米，各种通道和入口都设在水面下。

图2.7国家大剧院

柔性结构

柔性空间结构体系是由柔性构件构成，如钢索、薄膜等，通过施加预应力而形成的具有一定刚度的空间结构体系。

结构的形体由体系内部的预应力决定。

包括悬索结构，膜结构和张拉整体结构等。

悬索结构

悬索结构是以能受拉的索作为基本承重构件,并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系,悬索屋盖结构通常由悬索系统,屋面系统和支撑系统三部分构成。

用于悬索结构的钢索大多采用由高强钢丝组成的平行钢丝束,钢绞线或钢缆绳等,也可采用圆钢、型钢、带钢或钢板等材料。

图3.1悬索结构

悬索结构的类型

悬索结构按索的布置方向和层数分为:

单向单层悬索结构;辐射式单层悬索结构;双向单层悬索结构;单向双层预应力悬索结构;辐射式预应力悬索结构;双向双层预应力悬索结构;预应力索网结构等。

悬索结构的主要特点

悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用,结构中不出现弯距和剪力效应,可充分利用钢材的强度;悬索结构形式多样,布置灵活,并能适应多种建筑平面;由于钢索的自重很小,屋盖结构较轻,安装不需要大型起重设备。

在各种形式的悬索结构中,索的边缘构件及地锚的合理性和可靠性具有极其重要的意义,在一定程度上决定着结构的技术经济指标和安全。

但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比,比较复杂,限制了它的广泛应用。

悬索结构实例

美国北卡罗莱那州雷里（Releigh）体育馆，1953年建成，采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的马鞍形正交索网，其平面尺寸92m×97m。

该索网被公认为第一个具有现代意义的大跨度索网屋盖结构。

图3.2北卡罗莱那州雷里体育馆

膜结构

薄膜结构也称为织物结构,是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式。

它以性能优良的柔软织物为材料,由膜内空气压力支承膜面,或利用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力,从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。

图3.3膜结构

膜结构的类型

膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。

充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差（一般在10mm～30mm水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度.张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活。

膜结构的主要特点

膜材料重量轻、强度高、防火难燃、自洁性好,不受紫外线影响、抗疲劳、耐扭曲、耐老化、使用寿命长。

具有高透光率,热吸收量很少。

正是因为这种跨时代的膜材料的发明,使膜结构建筑成为现代化的永久性建筑。

膜结构实例

国家游泳中心又称“水立方”（WaterCube），位于北京奥林匹克公园内，是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆，也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。

国家游泳中心规划建设用地62950平方米，总建筑面积65000-80000平方米，其中地下部分的建筑面积不少于15000平方米,长宽高分别为177m×177m×30m。

2008年奥运会期间，国家游泳中心承担游泳、跳水、花样游泳、水球等比赛，可容纳观众坐席17000座，其中永久观众坐席为6000座，奥运会期间增设临时性座位11000个（赛后将拆除）。

赛后成为具有国际先进水平的、集游泳、运动、健身、休闲于一体的中心。

图3.4水立方

德国汉堡网球场膜结构展开面积约10000平方米，采用PVC（PVDF面层）膜材，并且选用能够满足要求的最薄的膜材型号。

屋盖是可开合式的膜结构，可缩进的膜结构棚盖可以在任何恶劣的天气时，将棚盖关上；在天气转好时打开。

以确保在任何季节里网球比赛的举行，或避免时重要的赛事中断或延迟。

此建筑充分发挥了索膜结构重量轻、造型灵活的优点。

图3.5德国汉堡网球场

杂种结构

在工程中每种结构体系都有其自身的优点，但也往往存在着各自的局限性，特别在跨度较大的情况下，传统的单一的结构形式难以满足需要，一种特殊的结构体系即“杂交”空间体系应运而生。

这种结构是将几种不同类型的结构体系组合成一种新的结构体系，能进一步发挥不同类型结构的特点，克服缺点，实现更经济，合理的大跨空间结构。

刚性结构之间的组合

刚性体系之间的组合，如组合网架，组合网壳等。

目前应用最广泛的是拱支网壳（架）结构体系。

大跨拱支网壳（架）空间结构是综合了网壳（网架）及拱结构等优点的基础上构思出的一种新型杂交结构形式。

拱支网壳结构利用拱结构具有整体刚度大、稳定性好的特点,提高了整个结构的承载能力及材料强度的利用率,达到增大结构跨度的同时又获得了较高的经济效益目的。

柔性结构之间的组合

柔性体系之间的组合，如索膜结构等。

索膜结构最大的优点就是它的经济性。

结构的主要受力构件为高强度受拉索和轻质受拉膜。

在索结构中可以通过施加预应力合理地改变其他构件的受力分布,从而极大地提高了结构抵抗外部荷载作用的性能,充分发挥材料的潜能。

膜结构可以轻易跨越较大的跨度。

所以,一般而言,结构跨度越大,索和膜的经济性越明显。

柔性拉索与刚性结构间的结合

柔性结构体系和刚性结构体系相结合，属于半刚性结构，这种又可分为斜拉结构，拉索预应力结构，张弦结构，支撑膜结构。

图4.1上海浦东国际机场（张拉弦结构）

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。

“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。

结论

大跨空间结构的发展状况已经成为衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志之一。

文中通过对大跨空间结构体系的近年发展列举的一系列工程实例阐述大跨空间结构的发展趋势。

表明这是极富生命力的发展领域。

其发展历史值得我们在今后的发展中借鉴。

参考文献

[1]孙建琴，李方惠，大跨度空间结构[M].北京.科学出版社.2009

[2]潘秀珍，李峰，空间结构[M].北京.建筑工业出版社.2013

[3]张毅刚，杨庆山，薛素铎，等，大跨空间结构[M].北京.机械工业出版社.2005

[4]董石麟,赵阳.论空间结构的形式和分类.土木工程学报,·2004,37（l）:

7一12

[5]赵汉光,蒋大弊.国内外充气建筑的发展.同济大学学报,!

978

（2）109一115

[6]李中立,吴健生.国外膜结构在大跨度结构中的应用与发展趋势.空间结构,1996.3.

[7]张文福，王秀丽，空间结构[M].北京.科学出版社.2005

致谢

本文是基于大跨度空间结构的课程学习的基础上结合张亮泉老师的细心指导下完成的。

老师对大跨度空间结构的精准剖析，对工程实例的恰当引用对于论文的完成起到了极大的帮助。

谢谢老师的悉心教导。

阶段测试论文评审意见表

论文题目

大跨度空间结构的新发展

学生姓名

专业班级

土木工程（卓越工程师）2013-02

指导教师评语:

成绩：

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