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六、大跨结构的发展
(1)社会需求:巨型场所,人工环 境,然境观保护;
(2)高强轻质材料:复合材料,碳 纤维,有机材料,非金属;
(3)新结构形态:杂交结构,可开 闭结构,多种体系混合;建筑结 构“另类”化, “新建筑结 构”, 仿生学
第1章 绪论
浦东国际机场:张弦桁架结构
北卡罗来纳州雷里( Releigh)
世界上第一座现代悬索结构是1953年建成体育馆屋盖,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。
加拿大卡尔加里滑冰馆1983年建成
佛山世纪莲新颖 轻巧的张拉膜结构 形式象一朵盛开的 莲花,是佛山市的 标志性建筑。
青岛颐中体育场我国第 一个自行设计和安装、 采用整体张拉式索膜结 构体育场工程 。
美国馆
世界上第一个大跨度的气承 式膜结构。
富士馆
以16个轮胎状的半圆形筒体组成50m直径的 圆顶,每个筒体直径为4m,长78m,这一 布置使房屋两个顶端向前突出7m,管子上 每隔4m有一根50cm宽的水平带把它们环箍 在一起。中间的拱是半圆形的,其他各拱的 矢高随着拱脚愈来愈近而愈来愈高。两端各 有宽10m的开口作为出入口。
第1章 绪论
图 空间网壳圆屋顶
(a)网架结构
(b)网壳结构
平板网架屋盖
图1.2 空间结构
高次超静定,三向受力,非线性,大变形。
第1章 绪论
平面结构:梁、屋架、框架、刚架、拱; 单向受力,计算理论成熟;
第1章 绪论
二、大跨度空间结构的特点
(1)自重轻,经济性好。目前大部分空间结构都采用钢材、膜 材等制作,轻质高强材料的运用使结构自重大大减轻。 (2)刚度好,抗震性能好。由于空间结构具有三维受力特性, 内力均匀,对集中荷载的分散性较强,所以能很好的承受不对 称荷载或较大的集中荷载,整体刚度大。 (3)便于工业化生产。空间结构的构件通常在工厂中制作, 在工地上可以很快地安装起来。
为1988年第十五 届冬季奥运会修建 于,容纳观众 19300席。屋盖平 面形状为与圆很接 近的椭圆形,长轴 135.3m,短轴 129.4m。采用单 层双曲抛物面索网 屋盖,其圆形平面 直径135m,边缘 构件采用弧形混凝 土结构形成巨大的 环梁。
第1章 绪论
悬挂在两个塔柱上的 两条中央悬索及分列 两侧的两片鞍形索网 是屋盖结构的主要组 成部分。高耸的塔柱 、下垂的主悬索和流 畅的两片鞍形曲面组 成了雄伟别致的建筑 物
第1章 绪论
杂交结构 悬索、索膜、张拉 受拉为主,高强材料 几何非线性结构
第1章 绪论
混合体系: 受压刚性,受拉柔性; 张弦桁架,预应力索拱。
2、按单元划分
第1章 绪论
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。一种单元 或多种单元集合便构成各种各样具体形式的空间结 构,见图表1。如网壳结构中,单层网壳由梁单元 组成,而双层网壳由杆单元组成,这样单双层网壳 分属于两种不同的结构。另外,这种划分对尚未出 现的新结构形式留有较大空间。
《大跨度空间结构设计》 电子课件 制作人:
孙建琴-兰州交通大学
李方慧—黑龙江大学
2009.4月
第1章 绪论
一、空间结构的概念
凡是建筑结构的形体成三维空间性状,在荷载作 用下具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构 称为空间结构。 日常生活中空间结构的例子,如草帽、折扇、簸 箕、笸箩等。观察自然界我们会发现许多空间结 构,如蛋壳、乌龟壳、蚌壳、花生壳各种植物种 子的外壳等,适合于各自的大自然环境,是一种 受力性能很好的空间结构(薄壳结构);蜂窝也是 空间结构(空间网格结构);蜘蛛网属于索网结构; 肥皂泡是典型的空间结构(充气薄膜结构)。
第1章 绪论
1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆 ——佐治亚穹顶 ,椭
圆形索膜结构Hale Waihona Puke Baidu235m186m)
张拉索膜
第1章 绪论
1999年建成, 张拉索膜结 构 ,穹顶周长1km,直径 365m,中心高度50m,它由 超过70km的钢索悬吊在12根 100m高的钢桅杆上,是当今 世界上跨度最大的屋盖结构。
“鸟 巢”
游泳中心——水立方
我国为2008年奥运会 修建的国家体育场游 泳中心,是国内首次 采用膜结构建设的国 际上面积最大、功能 要求最复杂、技术难 度最大的膜结构体系 。采用乙烯—四氟乙 烯共聚物(ETFE) 的膜材,该材料具有 质量轻、韧性好、耐 候性好、透光性好特 点,每天平均有近10 个小时的自然光照明 ,可大大节省能源。
格林威治千禧顶
第1章 绪论 柏林机库:363m长,225m跨,107m高,2000,钢拱架,膜屋面
第1章 绪论
多 伦 多 天 空 穹 顶
L=205m 1989 抛物线网壳,可开启
第1章 绪论
大跨建设高潮:
五、大跨度房屋结构应用 机场、会展中心、体育馆
①仓储(72m刚架)、煤棚、机库; 奥运场馆、世博馆 ②工业厂房:190×420m 网架; ③体育场馆、娱乐中心; ④展览,会议厅,影剧院; ⑤车站、航空港; ⑥超市、商场。
元
张弦立体桁架
斜拉网架( 壳)
拉索预应力网架 (壳)
组合网架
III+I+II
III+IV
结
构
索
分 IV 单
类
元
悬索结构 拉索网架
索网结构 索桁结构
IV 悬索-桁架结构
张拉整体结 IV+II
构
I
索穹顶结构 IV+III+V
膜
气承式膜结构
气肋式膜结 构
V
V 单 骨架支承膜结 V+II(或
元
构
III)
张拉膜结构 V+III+IV
平面为三角形,边长99.7m,屋 盖由三片四边形的双曲抛物面双 层网壳组成,支承在三叉形格构 式刚架和钢筋混凝土边梁上, 1989年建成
第1章 绪论
国家大剧院
空腹桁架椭球壳体结构, 长轴211.9m,短轴143.2m,高45.2m
老山自行车馆采用双层球面网壳结构
2008 奥运会老山自行车 赛馆位于北京石景山区 老山街,结构跨度 149.536m,矢高14.69m ,矢跨比约为1/10.网 壳支承于倾斜人字形钢 柱及柱顶环形桁架之上 ,柱顶支承跨度为 133.06m.网格尺寸约 4m,网壳厚度2.8m,为 跨度的1/47.5,屋盖以金 属屋面板为主,中部设 玻璃采光带.该网壳为 目前我国跨度最大的双 层球面网壳结构。
第1章 绪论 新奥尔良超级穹 D=205m 1975建成 球面网壳
第1章 绪论
日本名古屋单层网壳
圆形建筑的直径 为229.6m,支承 在看台框架柱顶 的屋盖直径则有 187.2m,采用边 长约10m的钢管 构成的三向网格 ,每个节点上都 有六根杆件相交 ,采用直径为 1.45m的加肋圆 环,钢管杆件与 圆环焊接,成为能 承受轴向力与弯 矩的刚性节点
上 海 八 万 人 体 育 场
1997年建成的马鞍形看台挑蓬,采用悬挑钢桁架覆以伞形膜材, 马鞍形屋盖平面投 影尺寸为288.4m×274.4m。由64榀径向悬挑桁架和环向次桁架组成的空间结构作 为骨架,最大悬挑长度73.5m。屋面共有57个由8根拉索和一根立柱覆以膜材组成 的伞状单体,膜的覆盖面积2.89万平方米,是中国的第一个大跨度膜结构,虽然其 技术与材料主要还依靠国外,但对中国膜结构的发展必然将起重大推动作用。
单元形式
结构形式
薄壳结构
折板结构
波纹拱结构
I
I
板壳 单元
带肋薄壳 悬挂薄壳
带肋折板 I+IV
I+II
单层网壳
空腹网架
空腹网壳
树状结构 II
II
梁单 元
组合网壳 局部双层网壳
空腹夹层板 II+III
II+I
张弦梁结构 拱支网壳
II+III+IV
表
网架结构
双层网壳
立体桁架
III
1 空 间
杆 III 单
第1章 绪论
三、空间结构的分类
1、按空间结构的受力特点来划分
(1)刚性空间结构
刚性空间结构体系是指刚性构件构成的具有很好刚度的空间结构体系。 包括薄壳结构、空间网格结构以及立体桁架结构。 •钢筋混凝土薄壳在施工中耗用模板及脚手架较多,所需劳动量较大, 费用高,高空浇筑或吊装费工费时。因此,薄壳结构的应用近年来有所 减少。 •空间网格结构根据外形分为两大类,一类称为网架,其外形呈平板状 (图1.2a);另一类称为网壳,其外形呈曲面状 (图1.2b) 。 •立体桁架结构是以钢管通过焊接有机连接而成的一种空间结构(图1.3 )。立体桁架结构是在网架、网壳结构的基础上发展起来的,与网架、 网壳结构相比具有独特的优越性和实用性。该结构省去一些纵向弦杆和 球节点,并具有简明的结构传力方式,可满足各种不同的建筑形式的要 求,尤其是构筑圆拱和任意曲线形状更有优势。
四、大跨度空间结构的发展
圣彼得大教堂
古代空间结构
罗马万神庙
当代空间结构的发展
悉尼歌剧院
北京火车站
屋面采用钢筋混凝土薄壳结构
第1章 绪论
首都体育馆,矩形平板网架, 1967, 122×99×6m,平行弦桁架,用钢量 65kg/m2;
第1章 绪论
上 海 体 育 馆
1973,圆形平面,110m×6m,平行弦桁架,用钢量47kg/m2,这样万人 级的体育馆仍是大跨度网架结构中的佼佼者。
半圆球面组成的双层网壳,其轮廓 尺寸为86.2m×191.2m,支承在下 部三角形框架上,覆盖了200m速滑 跑道。
黑龙江滑冰馆,L=86m 双层悬索, 1996
第1章 绪论
吉林省滑冰馆双层悬索, 59m×77m ,1986
为举办第六届冬运会省滑冰馆建筑面积为8622平方米,拥有观众坐席2600 个,是可供冰球、花样滑冰、短道速度滑冰训练和比赛的国际性标准场 地。2007亚冬会冰球比赛将在吉林省滑冰馆举行。场内设有运动员、裁 判员休息室、官员室、仲裁室、医疗急救室、兴奋剂检测室。音响、灯 光、电子计时系统采用世界先进设备。
北京工人体育馆 D=94m , 1961
直径94m的车辐 式双曲面双层悬 索,主要由双层 索、中心钢环( 承受拉索作用下 产生的环向拉力 )和周边的混凝 土环梁(承受轴 压力)三部分组 成。
1967年建成的, 椭圆平面马鞍形 双曲抛物面正交 索网结构,长径
80m,短径60m。
浙江省人民体育馆
主体结构采用由中央圆柱面与两端
(a)南京会展中心
(b)沈阳奥体中心
图1.3 立体桁架结构
第1章 绪论
(2)柔性空间结构
柔性空间结构体系是指由柔性构件构成,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 预应力来决定。包括悬索结构、膜结构和张拉整体结构等。
(3)杂交结构体系
将几种不同类型的结构体系组合成为一种新的结构体系。 杂交体系按 照其组合方式的不同可分为以下三类: •第一类为刚性结构体系之间的组合,如组合网架、组合网壳、拱支网壳 等; •第二类为柔性结构体系与刚性结构体系的组合,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、支承膜结构等。 •第三类为柔性体系之间的组合,如柔性拉索与索网的杂交,柔性拉索与 膜材之间的组合形成的索-膜结构。
日本东京代代木体育馆 鞍形索网
第1章 绪论
1997建成的威海体育中心
造型独特新颖,象一只待飞的 飞行器。体育场看台主体结构 采用钢筋混凝土斜向框架。看 台上空设一大型轻质罩蓬,采 用膜结构设计。其外缘水平投 影呈近似椭圆形,轮廓尺寸 236m×209m,内环尺寸 205m×143m,罩蓬覆盖面积 约25000m2。罩蓬由44座伞型 膜结构单元连接而成,各伞形 膜结构单元由膜、桅杆、前脊 索、后脊索及谷索组成。膜面 采用聚氯乙烯涂层的聚酯纤维 膜材,外加PVDF面层,其特点 为白色、自重轻、经济性好、 自洁性好、耐久性好、有一定 透明度。
153+153m×90m ,采用三层斜放 四角锥网架,焊 接球节点平板网 架,其跨度规模 之大,在国际上 是数一数二的, 这是我国在钢结 构方面的又一大 殊荣。机场的钢 结构屋盖由于建 筑上的要求比较 高,更是绚丽多 彩。
首都机场四机位机库
天津市体育馆
北京石景山体育馆
1994年建成的,放射状布 置的正放四角锥双层球形 网壳,直径有108m,网 壳厚度为3m;
(4)形式多样化,造型美观。空间结构的形式丰富多彩,千 变万化,个性鲜明,为建筑师的自由建筑创作提供了广阔的想 象空间。——目前大跨度结构的建造和所采用的技术已成为衡 量一个国家建筑水平的重要标志,许多宏伟而富有特色的大跨 度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。成为 标志 性建筑; (5)建筑、结构和使用功能的统一。