空间结构体系 空间结构能适应不同跨度、不同支承条件的各种建筑要求。形状上也能适应正方形、矩形、多边形、圆形、扇形、三角形以及由此组合而成的各种形状的建筑平面，同时，又有建筑造型轻巧、美观、便于建筑处理和装饰等特点。 大跨度空间结构体系主要包括网架、网壳结构、悬索结构和索膜结构。  1 网架及网壳结构 2  索 膜 结 构 重庆商学院艺术学院报告厅（椭球壳）  （3）双曲抛物面网壳（扭壳）       双曲抛物面网壳在几何学上的特点是其曲面的形成方式属移动式，具有直纹性，即其曲面是由无数根斜交的 直线组成。 通过一定的 组合，双曲 抛物面网壳 还可以发展 出不同的造型。  1.6   网壳结构的内力分析和设计        网壳结构的分析不仅仅是强度的分析，通常还必须包括刚度和稳定性。在某些条件下，结构的刚度和稳定性甚至比强度更为重要。此外，在既定荷载下结构力流的分析、导向和控制也与结构外形设计及刚度的分配密切相关。        分析的基础仍然是基于经典弹性理论。即：        方法① 连续化假定——比拟为连续光面实体薄壳 的拟壳法；             拟壳法将格构式的球面、柱面或双曲抛物面网壳比拟为连续的光面实体球壳、柱壳或双曲抛物面薄壳。       拟壳法按弹性薄壳理论分析求得壳体的内力和位移，再根据应力值折算为球面或柱面网壳的杆件内力，此法须经过连续化再离散化的过程。       方法② 离散化假定——杆系结构的矩阵位移法或有限单元法。       矩阵位移法或有限单元法是将网格结构离散为各个单元，分别求得各单元刚度矩阵及结构的总刚度矩阵，根据边界条件修正总刚度矩阵后求解基本方程，以得到各单元节点的位移进而得到杆件的内力。   （1）网壳结构的静力特性        影响网壳结构静力特性的因素很多，主要有：结构的几何外形、荷载类型及边界条件等。         网壳的类型和形式很多，型式不同的网壳，结构的变形规律及内力分布规律相差甚远。即使是同一种型式的网壳，当几何外型尤其是矢跨比不同时，都将有不同的结构反映。此外，网壳结构是一类边界条件敏感型的结构，边界约束条件的细微变化将有可能使结构的静力性能产生相当的变化。   （2）网壳结构的刚度特性        传统结构一般仅对结构的刚度提出控制性要求，但对于网壳结构（包括大跨度结构），还应进行刚度设计，因为刚度将影响网壳结构的稳定性能，同时直接影响结构的静力特性。        刚度设计需兼顾两方面：        ① 从释放温度应力及次应力考虑：支承及约束应减弱或设计得柔一些；        ② 从结构的稳定性考虑：结构应设计得刚一些。       为兼顾此两方面，设计时需要对结构进行刚度调整。        （3）几何参数对网壳结构静力性能的影响       影响网壳结构静力特性的几何参数主要有结构的跨度S、矢跨比F/S及波跨比有关（F为柱面网壳的矢高）。       筒拱中内力分布很不均匀，当矢跨比F/S很小时，结构主要呈梁的作用，跨中弯矩及轴力均很大且轴力分布不均；当矢跨比F/S很大时（如接近半圆），各杆轴力较小，拱轴方向的弦杆 在跨中区域受压，在 边缘区域受拉。 矢跨比F/S与耗钢量W的关系              跨度S与耗钢量W的关系   （4）柱面网壳的水平推力         圆柱面网壳由于 环向力的作用而产生 较大的水平推力。水 平推力N的大小也与 矢跨比有关。       水平推力的处理可采用：          ① 加水平拉杆；          ② 结构落地；          ③ 增加下部柱的柔度；     ④ 利用下部结构吸收推力。   （5）网壳结构的稳定分析         整体失稳 网壳失稳 局部失稳 波状失稳 条状失稳 大波状失稳 小波状失稳 点失稳 杆件失稳 网壳结构的典型失稳形式   网架几何不变的充分条件        三角形是几何不变的，因此，以三根不共面的杆件交出一个新节点所构成的网架单元也为几何不变体系。当网架杆系组成的形体是由三角形界面组成的多面体时，亦是几何不变的。故对网架结构几何不变问题的分析可变成平面问题进行。       网架几何可变单元可通过加设杆件或适当加设支承链杆使其成为几何不变体系。*       用程序计算时，如出现挠度特别大等不合理情况，则该网架有可能为几何可变。      1.4  网架结构的设计特点    （1）网架结构的选型    根据建筑的造型、平面形状和尺寸、支承情况、荷载大小、屋面材料等综合考虑。    从材料用量考虑宜采用：    斜放四角锥   正放四角锥   两向正交正放 三向交叉梁系    以上型式当跨度及荷载都大时较合理，刚度也比较大。当平面为矩形时两向正交斜放与斜放四角锥网架最经济。   从平面形状和大小考虑，当为周边简支时建议：    ① 平面为方形或接近方形、中小跨度（?60m)：    两向正交斜放、正放四角锥、斜放四角锥    ② 平面为矩形：    两向正交斜放或斜放四角锥    ③ 平面为圆形、正多边形、扇形：    三向交叉梁系或三角锥  当为四点支承的连续网架：    两向正交正放或正放四角锥。   （2）网架结构的网格尺寸和高度    网格大小直接影响网架的经济性，应综合考虑。网架高度应使腹杆与弦杆的夹角在45?左右。  （3）网架结构的杆件设计   杆件截面：圆钢管、角钢、方钢管、H型钢等。   计算长度：螺栓球：1.0l                                           弦杆  0.9l                         焊接球：                                           腹杆  0.8l   长细比：压杆  ??180                   拉杆  ??300（支座及附近）、400（一般） （4）网架节点设计与构造要点   网架杆件通过节点（焊接钢板节点、焊接空心球节点、螺栓球节点、焊接短钢管节点等）把杆件联系在一起组成空间形体。节点上汇交的杆件数量随网格形式而不同，一般8?12根，至少有6根。且节点的重量一般为网架总重量的20～25%，所占用钢量的比重较大，因节点破坏而造成工程事故的例子也不少，所以节点设计是关键。  ① 焊接空心球节点   空心球可分为不加肋和加肋两种，用圆板经压制成型作成半球，再由两个半球对焊而成。这种节点适用于连接钢管杆件。节点构造是将钢管杆件直接焊接连接于空心球体上，具有自动对中和‘万向’性质。     直径D为120～500mm的焊接空心球其抗压承载力设计值Nc可按下式计算：         D ─ 空心球外径（mm）；       t ─ 空心球壁厚（mm）；       d ─ 钢管外径（mm）；      ηc ─ 受压空心球加肋承载力提高系数，加肋ηc=1.4，不加肋ηc=1.0。     直径D为120～500mm的焊接空心球其抗拉承载力设计值Nt可按下式计算：    Nt─ 受拉空心球轴向拉力设计值（N）；  f ─ 钢管材料强度设计值（N/mm2）； ηt ─ 受拉空心球加肋承载力提高系数，加肋ηt=1.1，不加肋ηt=1.0。     一般空心球外径D=（25～45）t；空心球壁厚t与钢管最大壁厚的

大跨与空间结构（2）.ppt