单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,/41,大跨空间结构,Space Structure,主讲人：钱宏亮,哈尔滨工业大学,大跨空间结构主讲人：钱宏亮,1,/41,1,什么是,空间结构,？,平面结构,Plane Structure,空间结构,Space Structure,1/411 什么是空间结构？平面结构空间结构,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,2/41由平面体系组成的结构 Construction,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,平面结构,来进行计算和构造3/41桁架桥拱桥 任何结构本质上都是空间性质的只不,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。
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,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,5/412 空间结构的特点1）能够跨越较大的跨度，特别适,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,深圳大运会体育场,国家大剧院,北京,T3,航站楼,6/412）造型新颖优美，形式丰富多彩，往往是一个地区的标志,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？,beam,b,h,L,7/413）工作性能卓越，是一种高效的结构体系,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,L,2,倍的速度增长。
8/41结构效率系数 试以简支梁为例，推导其结构效率系数9,/41,Mild Steel,Steel Cable,Perlon,Glass fiber,不同材料的破断长度,途径,1,：,采用轻质高强的新材料,9/41Mild SteelSteel CablePerlo,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beam,b,h,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,L,2,增长的问题,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,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,=,100,mm,简支,RC,梁,h,=,L,/10=4m/,10,=,400,mm,交叉桁架体系 四角锥体系,格构式板,平板网架,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,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。
x,p,M,=0.5,p,(,l,-,x,),x,二次抛物线,arch,f,H,=,M,0,/,f,cable,f,H,=,M,0,/,f,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,13,/41,三维,RC,扁壳,h,=,L,/500=40m/,500,=,80,mm,格构式梁,桁架,周边简支,RC,薄板,h,=,L,/40=4m/,40,=,100,mm,张弦梁,简支,RC,梁,h,=,L,/10=4m/,10,=,400,mm,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,13/41三维RC扁壳格构式梁桁架周边简支RC薄板张弦梁,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,Reticular 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,14/413 空间结构基本类型1.薄壳结构 Thin-,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。
球面,椭圆抛物面,(,双曲扁壳,),柱面,双曲抛物面之组合,矩形平面 菱形平面,双曲抛物面（鞍形壳）,壳体结构的曲面类型,15/41薄壳结构 由混凝土等材料构成的曲面形薄板结构，以,16,/41,薄壳结构,工程实例,罗马小体育馆（,1957,）,Little Sports Palace in Rome,，,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,1/80,16/41薄壳结构工程实例罗马小体育馆（1957）,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,1/114,17/41薄壳结构工程实例法国国家工业与技术中心（1959,18,/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),18/41薄壳结构工程实例Valencia Oceanog,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。
19/41平板网架 由多根杆件按照一定规律组合而成的网,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20/41网壳结构 曲面型网格结构，兼有杆系结构和薄壳,21,/41,其他形式网格体系,广州市体育馆,（,2001,全运会）,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,22/41国家大剧院施工照片建成照片,23,/41,2010,深圳大运会主体育场,（折板型空间网格结构）,23/412010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24/41索结构 由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重,25,/41,膜结构,由高强度柔性薄膜材料与支承体系结合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25/41膜结构 由高强度柔性薄膜材料与支承体系结合形成,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,26/41混合体系 将刚性构件(梁、拱、桁架、网架、网,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,27/414 空间结构回顾与展望圣彼得教堂，1612万神,28,/41,28/41,29,/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29/41Great Conservatory,1836,30,/41,Crystal Palace London Hyde Park,1850,宽,124,米，长,564,米，共跨，高,3,层，耗铁量约,4000,吨，折合,60kg/m,2,，从设计到竣工仅,6,个月30/41Crystal Palace London H,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,1979,31/41（三）混凝土薄壳结构时期（20世纪中期）19,32,/41,Heinz,Isler,（,1926-,）,Pier Luigi,Nervi,（,1891-1979,）,Eduardo,Torroja,(18991961),Felix,Candela,(1910-1997),32/41Heinz IslerPier Luigi Ner,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,33/41（四）空间网格结构的兴起（20世纪中期）2,34,/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,34/41（五）索膜结构的兴起（20世纪中后期）第,35,/41,千年穹顶,Millennium Dome,Greenwich,UK,1999,Membrane:,PTFE,Covered area:,100 000,m,2,Dome Height:,50m,Mast Height:,100 m,Span:,320m,35/41千年穹顶Membrane:PTFE,36,/41,Concept to cover East St.Louis with long span dome.1969,Designer:R.Buckminster Fuller,Proposal for long span dome in Antarctica.1990,Engineer:Buro Happold,（六）未来空间结构的。