1、,大跨空间结构Space Structure,主讲人：钱宏亮哈尔滨工业大学,1/41,1 什么是空间结构？,平面结构Plane Structure,空间结构Space Structure,2/41,由平面体系组成的结构 Constructions Composed of Plane Structures,单层厂房Single-Storey Industrial Building,多层框架Multi-Storey Frame,3/41,桁架桥Truss Bridge,拱桥Arch Bridge,任何结构本质上都是空间性质的。只不过出于简化设计和建造的目的，人们在许多场合有条件地把它们分解成一片片
2、平面结构来进行计算和构造。,4/41,国家体育场,美国迪斯尼乐园球幕电影院,不能被分解为平面体系的结构Constructions Unable to be decomposed into Plane Systems,空间结构日益显示出一般平面结构所无法比拟的创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。,5/41,2 空间结构的特点,1）能够跨越较大的跨度，特别适用于大型公共建筑，如,体育建筑 会展建筑 交通枢纽建筑飞机库 某些有特殊要求的工业厂房,大跨度（long span）的定义L60m 大跨度L120m 超大跨度,6/41,2）造型新颖优美，形式丰富多彩，往往是一个地区的标志性建筑,海南会展中心,
3、深圳大运会体育场,国家大剧院,北京T3航站楼,7/41,3）工作性能卓越，是一种高效的结构体系,如何克服由于跨度增大所带来的弯矩放大效应是空间结构设计的首要问题。,思考：1）对于一矩形截面简支梁，如果b不变，h和L均放大10倍，应力和位移如何变化？（只计自重）2）如果要保证应力不变，高度应放大多少倍？,8/41,结构效率系数 ,试以简支梁为例，推导其结构效率系数。,f 材料强度 材料重度,如何提高结构效率？1）采用轻质高强材料；2）使构件截面高度以超过L2倍的速度增长。,9/41,Mild Steel,Steel Cable,Perlon,Glass fiber,不同材料的破断长度,途径1：采
4、用轻质高强的新材料。,10/41,途径2：移除结构中强度利用不充分的材料，降低当量重度，间接实现轻质高强。,1）工字型截面的当量重度降低一倍，即2）但这种降低是有限的，并不能从根本上解决材料用量随L2增长的问题,11/41,途径3：由平面受力变为空间受力，相当于分担了每个平面结构的外荷载，降低了对其承载效率的要求。,桁架,周边简支RC薄板h=L/40=4m/40=100mm,简支RC梁h=L/10=4m/10=400mm,交叉桁架体系 四角锥体系格构式板平板网架,途径4：通过改变结构形状，调整内力分布，间接实现结构高度的增加。,arch,f,H=M0/f,cable,f,H=M0/f,13/4
5、1,三维RC扁壳h=L/500=40m/500=80mm,格构式梁桁架,周边简支RC薄板h=L/40=4m/40=100mm,张弦梁,简支RC梁h=L/10=4m/10=400mm,张弦梁（Beam String）,交叉桁架体系 四角锥体系平板网架,格构式壳网壳 弦支穹顶(suspen Dome),一维传力,二维传力,三维传力,14/41,3 空间结构基本类型,1.薄壳结构 Thin-Shell Structures,2.空间网格结构 Latticed Space Structures(Space Frames) 平板网架 Plate-like Space Truss 网壳结构 Reticul
6、ar Shell 其它形式网格体系 Other Space Frames,3.张力结构 Tensile Structures 索结构 Cable Structures 膜结构 Membrane Structures,4.混合结构 Hybrid Structures 张弦结构 Beam String Structures 索撑结构 Cable braced Structures,15/41,薄壳结构,由混凝土等材料构成的曲面形薄板结构，以承受面内轴力为主，厚度仅为跨度的几百分之一。,16/41,薄壳结构工程实例,罗马小体育馆（1957 ）Little Sports Palace in Rome，
7、P.L. Nervi,直径60m，采用25mm厚棱形槽板拼接而成，上浇40mm钢筋混凝土面层，折算厚度约为跨度的1/80。,17/41,薄壳结构工程实例,法国国家工业与技术中心（1959）,壳体截面,三角形平面，边长208m，顶高48m, 是当时跨度最大的壳体；采用分段预制式双层双曲薄壳，折算厚度仅为跨度的1/114。,18/41,薄壳结构工程实例,Valencia Oceanografic, Felix Candela,Sydney Opera House（1959-1973）,A gas station, Heinz Isler,Market Hall, E. Torroja (1933
8、),19/41,平板网架,由多根杆件按照一定规律组合而成的网格状平板型空间杆系结构，具有刚度好、施工快等特点。,20/41,网壳结构,曲面型网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的特性，受力合理，覆盖跨度大。,21/41,其他形式网格体系,广州市体育馆 （2001全运会）,22/41,国家大剧院准椭圆平面 212mX144m （2005）,施工照片,建成照片,23/41,2010深圳大运会主体育场,（折板型空间网格结构）,24/41,索结构,由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，由于充分发挥了钢材受拉性能好的特点，因此可以跨越很大的跨度 。,25/41,膜结构,由高强度柔性薄膜材料与支承体系结合
9、形成的具有一定刚度的稳定曲面结构，具有轻盈、美观的特点。,26/41,混合体系,将刚性构件(梁、拱、桁架、网架、网壳等)与柔性索结合，形成的轻型屋盖体系。,张弦结构,索撑结构,27/41,4 空间结构回顾与展望,圣彼得教堂，1612,万神庙，125 AD,跨度43.5m，厚跨比1:11,跨度42m，厚跨比1:15,（一）砖石时期,28/41,29/41,Great Conservatory, 1836 Joseph Paxton,（二）铸铁时期（19世纪）,宽37米，长68米，高20米,19世纪初生铁材料出现，欧洲大陆兴起铁建筑热潮。,30/41,Crystal Palace London H
10、yde Park, 1850,宽124米，长564米，共跨，高3层，耗铁量约4000吨，折合60kg/m2，从设计到竣工仅6个月。,31/41,（三）混凝土薄壳结构时期（20世纪中期）,19世纪末，钢筋混凝土结构出现，壳体分析理论快速发展，为薄壳结构兴起创造了条件。,Heimburg Tennis Center - Heinz Isler,Hershey ice hockey arena- Anton Tedesko,70103m, 1936,北京站候车厅（35x35m）1958,北京网球馆（42x42m）1964,18.648m, 1979,32/41,Heinz Isler（1926- ）
11、,Pier Luigi Nervi（1891-1979）,EduardoTorroja (18991961),FelixCandela(1910-1997),33/41,（四）空间网格结构的兴起（20世纪中期）,20世纪初，Bell率先提出并实践了空间网格结构,1940年，MERO体系问世推动了空间网格结构的发展,34/41,（五）索膜结构的兴起（20世纪中后期）,第一个现代悬索屋盖结构 美国 Raleigh体育馆 鞍形索网，9297m 1953年,第一个现代大跨度膜结构 日本大阪世博会美国馆 气承式膜结构，14083m 1970年,35/41,千年穹顶Millennium Dome, Gre
12、enwich, UK, 1999,Membrane: PTFE Covered area: 100 000 m2Dome Height: 50mMast Height: 100 mSpan: 320m,36/41,Concept to cover East St. Louis with long span dome. 1969Designer: R. Buckminster Fuller,Proposal for long span dome in Antarctica. 1990Engineer: Buro Happold,（六）未来空间结构的发展,挑战：假如要设计一座跨度1000m的穹顶，
13、可能采用什么体系，解决哪些设计施工问题？,37/41,5 课程介绍,课程名称：大跨空间结构 课程性质：必修课 课程学时：28学时参考教材：张毅刚 等编著考核方式：开卷出勤10%+大作业20%+期中20%+期末50%,38/41,课程主要内容及要求,1. 概论2. 网架结构3. 网壳结构 4. 悬索结构5. 薄膜结构 6. 新型空间结构,了解空间结构的基本类型和发展趋势；理解空间结构的特点和工作原理掌握典型空间结构的分析方法和设计方法；熟悉典型空间结构的构造要求和施工方法。,39/41,课程学习方法,1.要注重概念学习，注重理论联系实际,概念是连接理论与实践的桥梁，是创新型杰出工程师的必备素质。,书本知识,工程实践,善于观察,勤于思考,勇于尝试,40/41,2.要加强自己的分析能力和设计能力,41/41,是否关注美学是评价一名工程师及其设计作品的重要标志。结构工程师的责任是实现建筑美与技术美的统一。,3.要提升自己的美学鉴赏力,42/41,The End！,,
