大跨建筑结构(大跨平面结构)
大跨度结构(建筑一级考试复习资料)
3) 三角锥体系
a）三角锥网架 b) 抽空三角锥网架 c) 蜂窝型三角锥网架
3.受力特点 受力特点
与一般井式梁一样 弯矩、剪力作用 弯矩、剪力作用———杆件轴力 杆件轴力
4.网格划分 网格划分
L<30 网格尺寸 （1/6~1/12）L ） 网格高度 L=30~60 网格尺寸 网格高度 L>60m 网格尺寸 网格高度 （1/10~1/14）L ） （1/8~1/12）L ） （1/12~1/16） L ） （1/12~1/20）L ） （1/14~1/20） L ）
五.吊挂结构 吊挂结构
杂交结构------两种结构体系的混合 两种结构体系的混合 杂交结构
拱＋网架
斜拉结构
单层
肋环形
凯威特形
L<50m～60m L<50m～
短程线形
双层
肋环型 肋环型四角锥网壳
联方型四角锥网壳
2.受力特点 受力特点
弯矩比网架结构小（面内薄膜受力） 弯矩比网架结构小（面内薄膜受力） 杆件受轴力， 杆件受轴力，弯矩 单层网壳稳定 支座产生水平推力
3.矢高比 矢高比 1） 球面网壳 1/3 ～ 1/7 ） 2） 柱面网壳 1/2 ～ 1/6 ） 3） 双曲扁壳 1/6 ～1/9 ） 4) 扭网壳 1/4 ～ 1/8
短筒壳 （B/L≤1/2）
中长筒壳 （1/2< B/L<3）
长筒壳
（B/L≥3）
②球壳—— 穹顶 球壳
③双曲扁壳
④鞍壳
⑤扭壳
5）折板结构
L=15m~18m
6）悬索结构（高强钢丝） ）悬索结构（高强钢丝）
施加预应力，很强边缘构件 7）杂交结构 网架 索 + 网壳 拱
大跨建筑结构设计要点
大跨建筑结构设计要点1. 引言大跨建筑是指跨度较大的建筑结构，通常用于场馆、机场、桥梁等重要工程。
大跨建筑结构设计要点涉及材料选择、结构布局、抗震设计等方面，本文将从这些方面介绍大跨建筑结构设计的要点。
2. 材料选择2.1 结构材料对于大跨建筑来说，结构材料的选择至关重要。
常见的结构材料包括钢材、混凝土和木材。
具体的选择需要考虑建筑的功能、负荷要求、耐久性和成本等因素。
钢材通常用于跨度较大、承载能力要求高的部位，混凝土用于提供更好的耐久性和抗震性能，木材则常用于轻型结构和装饰。
2.2 外墙材料外墙材料的选择需要考虑建筑的整体风格和环境要求。
常见的外墙材料包括玻璃、金属板、石材等。
玻璃材料可用于增加建筑的透明度和光亮感，金属板常用于现代风格的建筑，石材则常用于提供建筑的稳定感和质感。
3. 结构布局大跨建筑的结构布局需要考虑建筑的跨度、高度、稳定性和空间利用率等因素。
3.1 平面布局在平面布局上，大跨建筑可以采用单室或多室结构。
单室结构适用于跨度较大、建筑内部空间需求较大的场所，多室结构则适用于灵活分区、功能需求复杂的场所。
3.2 立面布局在立面布局上，大跨建筑可以采用平直或曲线形状。
平直形状适用于现代简约风格的建筑，曲线形状则适用于提供建筑的流畅感和美感。
4. 抗震设计大跨建筑需要进行有效的抗震设计，以确保建筑在地震等自然灾害中的安全性。
4.1 建筑地基合理的地基设计是抗震设计的基础。
在大跨建筑中，通常需要采用深基坑和深基桩等方式来提供足够的支撑和稳定性。
4.2 结构体系合理的结构体系可以提高建筑的整体稳定性。
对于大跨建筑，常见的结构体系包括框架结构、剪力墙结构和桁架结构等。
其中，桁架结构通常用于跨度较大的建筑，剪力墙结构则适用于提高建筑的抗震能力。
4.3 防震装置大跨建筑还可以采用防震装置来提高抗震能力。
常见的防震装置包括减震器和承载控制装置等。
5. 结论大跨建筑的结构设计要点包括材料选择、结构布局和抗震设计等方面。
大跨度建筑结构
大跨度建筑结构1单层刚架刚架是以横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。
1.1受力特点：梁柱合一的刚架仍是横向受弯为主的结构，但梁柱刚接的相互约束减少了梁跨中与柱内弯矩，内力虽然有轴力，但以弯矩为主，这是其承荷传力的基本特性。
刚架结构比屋架和柱组成的排架结构轻巧，可以节省钢材和水泥。
由于大多数刚架的横梁是向上倾斜的，不但受力合理，且结构下部的空间增大，对某些要求高大空间的建筑特别有利。
同时，倾斜的横梁使建筑屋顶形成折线形，建筑外轮廓富裕变化。
由于刚架结构受力合理，轻巧美观，能跨越较大的跨度，制作又很方便，因此应用非常广泛。
但刚架结构的刚度较差，不宜用于吊车起吊重量超过100KN的厂房等建筑。
1.2刚架结构的类型刚架按结构组成的构造方式不同，分为无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架。
无铰刚架和两铰刚架是超静定结构，结构刚度较大，但当地基条件较差，发生不均匀沉降时，结构产生附加内力。
三铰刚架则属于静定结构，在地基产生不均匀沉降时，结构不会引起附加内力，但刚度不如前两种好。
一般来说，三铰刚架多用于跨度较小的建筑，前两者用于较大的建筑。
刚架按材料不同分为胶合木刚架、钢刚架和混凝土刚架。
胶合木刚架是利用短薄板的板材拼接而成，不受原木尺寸及缺陷的限制，具有较好的防腐和耐燃的性能。
轻钢门式刚架适用范围:用于跨度为9一36m，柱距为6m，柱高为4.5一9m，不设吊车或设有起重量较轻吊车的单层工业厂房或公共建筑:设置桥式吊车时起重量不宜大于20t、设置悬挂吊车时起重量不宜大于3t。
钢筋混凝土刚架一般适用于跨度小于18m，高度小于10m的无吊车和吊车荷载小于100KN的建筑中，最大跨度可达30m。
钢筋混泥土刚架构件截面一般为矩形，以便于叠层预制。
为省掉不必要的混泥土可做成空心界面、工字形截面或空腹式。
刚架按建筑体形分有平顶、坡顶、拱、单跨与多跨。
1.3刚架结构的建筑造型刚架结构常用钢筋混泥土建造，为了节约材料和减轻结构的自重，通常将刚架做成断面形式，柱梁相交处弯矩最大，断面增大，较接点处弯矩为零，断面最斜或外直内斜。
房屋 建筑学 大 跨度 建筑构造 大 跨度 建筑结构型式与建筑造型
房屋建筑学大跨度建筑构造大跨度建筑结构型式与建筑造型大跨度建筑结构型式与建筑造型结构是房屋的骨架，是形成建筑内部空间和外部形式的物质基础，结构是在特定的材料和施工技术条件下运用力学原理创造出来的。
某种新的结构一旦产生并在工程实践中反复出现时，便会逐渐形成一种崭新的建筑形式。
可见结构技术是影响建筑的重要因素，在大跨度建筑中尤其如此。
通过上述例子说明，在建筑设计中，选择结构型式不仅是结构工程师的工作，也是建筑师的职责，现代建筑的特点是建筑艺术与建筑技术的高度统一。
建筑师只有对各种结构形式的基本力学特征和适用范围有深入的了解才能自由地进行创作，把结构型式与建筑造型融为一体。
现就大跨度建筑常见的各种结构型式及其建筑造型作介绍。
一、拱结构及其建筑造型拱结构及其建筑造型(一)拱的受力特点、优缺点和适用范围拱是古代大跨度建筑的主要结构型式。
由于拱呈曲面形状，在外力作用下，拱内的变矩值可以降低到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间。
但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。
常见的方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。
很明显，这会使建筑的平面空间组合受到约束。
拱的内力主要是轴向压力，结构材料应选用抗压性能好的材料。
古代建筑的拱主要采用砖石材料，近代建筑中，多采用钢筋混凝土拱，有的采用钢桁架拱，跨度可达百米以上。
拱结构所形成的巨大空间常常用来建筑商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。
(二)拱的型式拱结构按组成和支座方式不同分为三铰拱、两铰拱和无铰拱三种。
(三)拱结构的建筑造型拱结构的造型主要取决于矢高大小和平衡拱推力的方式。
拱的矢高对建筑的外部轮廓形象影响最大。
矢高小的拱，外形起伏变化小，呈扁平状，结构占用的空间小，但水平推力和拱身轴力都偏大。
而矢高大的拱，外形起伏变化强烈，产生的水平推力和轴向力都较小，但拱身材料耗费量多，拱下形成的内部空间大，拱曲面坡度很陡，当采用油毡屋面时，容易出现沥青流淌和油毡滑移现象。
建筑结构设计 第6章 中跨与大跨建筑结构
图5 首都人民大会堂
图6 鸟巢
6.2 桁架及屋架
桁架是由杆件组成的几何不变体，即是指由直杆在杆 桁架 端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架 中的杆件大多只承受轴向力，杆件截面上应力分布均 匀，材料性能发挥较好，从而能节省钢材和减轻结构 自重，特别适用于跨度和高度较大的结构。 桁架在钢结构中应用很广 应用很广，分为空间桁架和平面桁架 应用很广 两类。网架结构和各种塔架结构为空间桁架，常用的 平面桁架如屋架、吊车桁架、支撑、桥梁等。平面简 支桁架的杆件内力不受支座沉降和温度变化的影响， 且构造简单、安装方便最为常用。
h = (1 / 10 ~ 1 / 6)l 0
6.3 单层钢架结构
单层钢架：一般由直线形杆件（梁和柱）组成 单层钢架 的具有刚性节点的结构。当横梁为折现形时称 为门式钢架 门式钢架；当横梁为弧形时，称为拱式钢架 拱式钢架。 门式钢架 拱式钢架 刚架结构由横梁、柱和基础组成。刚架的柱与 横梁刚接，与基础铰接。 排架结构由屋架、柱和基础组成，柱与屋架铰 接，而与基础刚接。
门式刚架从结构上分类有：
（1）无铰刚架；（2）两铰刚架；（3）三铰刚架
无铰刚架
两铰刚架
三铰刚架
三种刚架的经济指标 刚架用料 刚架形式 钢 (kg) 无铰 两铰 三铰 364 365 380 混凝土 钢 (m 3 ) (kg) 3.00 2.98 2.42 68.0 35.0 35.0 混凝土 钢 (m 3 ) (kg) 4.28 0.87 0.87 432 400 415 混凝土 (m 3 ) 7.28 3.76 3.29 基础用料 总材料用量
大跨建筑的发展概况
（1）罗马万神庙，见图1。穹顶直径达43.3m，顶端高度也是 43.3m，中央开一个直径8.9m的圆洞。 （2）威斯敏斯特教堂，见图2。总长156米，宽22米；大穹窿顶 高31米，跨度大19.3m，钟楼高68.5米，拱脚厚度达910mm。
大跨度建筑的结构类型及造型
薄壳结构形式
筒壳 圆顶壳 双曲扁壳 双曲抛物面壳
双曲扁壳与双曲抛物面壳
北京火车站——双曲扁壳
薄壳结构的建筑造型
建筑造型是以各种几何曲面图形 为基本，有圆筒形、圆球形、双 曲抛物面形。 不简单重复上述基本形式，而是 巧妙地运用交贯、切割、改变参 数等方法，重新组合再创造。造 型独特新颖，突出建筑个性。
巴黎国家工业与技术中心陈列馆
三束锥状双曲面薄壳交 汇于屋顶中心，立面呈 抛物线形，上下双层壳 板组成空腔壳体，平均 厚度18CM,仅为跨度的 1/144。
美 国 麻 省 理 工 学 院 礼 堂
埃罗· 沙里宁，1/8球面薄壳，平面为曲边三角 形，边梁向上卷起，传递荷载至三个支座，地 下埋设水平拉杆，平衡推力，铜板覆盖，玻璃 幕墙曲面外墙。
肯尼迪机场候机楼
四片双曲面钢砼薄壳合围成 屋顶，展翅飞翔的大鸟。采 光带分开四部分，边梁朝支 座逐渐加宽，适应增大的内 力。模型实验，艺术与结构 的完美结合，没有生硬的几 何图形痕迹。
空间网格结构
多根杆件
以一定规律 节点连接
平板网架 曲面网壳 空间结构形式
1、多向受力结构，整体性强，稳定， 刚度大； 2、杆件主要承受轴向拉、压力，符合 材料特性，节省； 3、结构高度小，有效利用空间； 4、杆件规格统一，易于生产。
大跨度房屋结构
大跨度房屋结构摘要：随着经济的发展，大跨度结构在公共建筑中的应用越来越广泛。
关键词：大跨度;实腹式框架;格构式框架Abstract: with the development of economy, big span structure in the public buildings used more widely.Keywords: big span; Solid-web framework; Of lattice frame大跨度房屋结构常用于公共建筑。
公共建筑如大会堂，影剧院，展览馆，音乐厅，体育馆，加盖体育场，市场，火车站，航空港等，受使用要求和建筑造型要求所制约，具有大的跨度。
它们是为了满足人类社会文化生活不断丰富的需求而产生的。
大跨度房屋结构也用于工业建筑。
特别是航空工业和造船工业中，更多地采用大跨度结构如飞机制造厂的总装配车间，飞机库，造船厂的船体结构车间等等。
这些建筑采用大跨度结构是受装配机器（如船舶，飞机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。
大跨度建筑物的用途，其使用条件以及对其建筑造型方面要求的差异性，决定了采用结构方案的多样性------梁式的，框架式的，拱式的，空间式的以及悬挂-悬索式的。
梁氏及框架式体系，较常用于矩形平面的大跨建筑无盖；拱式体系具有建筑造型方面的优点，跨度在80m和更大时，这种体系比较经济；呈网格或实腹薄壳及褶板，平板网架结构，穹顶或篷盖状的空间体系，用钢量最为经济，多用于圆形或矩形的房屋平面。
悬挂结构体系中主要承重构件是用高强材料制作的受拉索缆（钢绞线，高强钢丝束等），轻巧是它的最大优点。
这种结构体系制造和安装都比较简单。
大跨度屋盖主要具有矩形平面。
但是公共建筑如影剧院，音乐厅，体育馆，展览馆等，除了矩形平面，也可能具有圆形或椭圆形平面。
采用普通矩形以外的平面，使屋盖结构的构成复杂化，这不便于使用定型结构构件。
大跨建筑物一般不属于大量建设项目，其建筑及结构方案极具个性，当然，这也在一定程度上限制了结构的定型化及工业化。
常见大跨度建筑的结构形式
常见大跨度建筑的结构形式结构类型：有拱、刚架以及桁架、折板结构、壳体结构、网架结构、悬索结构、充气结构、篷帐张力结构等。
拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。
由于拱成曲面形状，在外力作用下，拱内的弯矩可以降到最小限度，主要内力变为轴向压力，且应力分布均匀，能充分利用材料的强度，比同样跨度的梁结构断面小，故拱能跨越较大的空间但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力，为了保持结构的稳定性，必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。
常见方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱，墙厚随拱跨增大而加厚。
很明显，这会使建筑的平面空间组合受到约束。
拱的内力主要是轴向压力，结构材料应选用抗压性能好的材料。
古代建筑的拱主要采用砖石材料，近代建筑中，多采用钢筋混凝土拱，有的采用钢衍架拱，跨度可达百米以上。
拱结构所形成的巨大空间常常用来建造商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。
刚架是由梁和柱组成的结构，各杆件主要受弯,刚架的结点主要是刚结点，也可以有部分铰结点或组合结点。
全部是钢材焊接的结构，一般用于超高层的办公大楼，或大型的会场和展厅。
桁架是一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。
桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。
桁架的优点是杆件主要承受拉力或压力，可以充分发挥材料的作用，节约材料，减轻结构重量。
常用的有钢桁架、钢筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与混凝土组合桁架。
折叠折板屋顶结构一种由许多块钢筋混凝土板连接成波折形的整体薄壁折板屋顶结构。
这种折板也可作为垂直构件的墙体或其他承重构件使用。
折板屋顶结构组合形式有单坡和多坡，单跨和多跨，平行折板和复式折板等,能适应不同建筑平面的需要。
常用的截面形状有V形和梯形，板厚一般为5~10厘米,最薄的预制预应力板的厚度为3厘米。
跨度为6~40米，波折宽度一般不大于12米,现浇折板波折的倾角不大于30°;坡度大时须采用双面模板或喷射法施工。
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参考书目： 1.《大跨空间结构》 张毅刚等编 机械工业出版社； 2.《大跨空间结构》完海鹰编 中国建筑工业出版社； 3.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91； 4.《空间结构设计与施工》 东南大学出版社；
概述
大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会 堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育 场、航空港等。
（2）H型钢重型桁架
桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长， 以H型钢作弦杆或腹杆的重型桁架，设计时应注意 节点的次应力，或按刚接节点设计，对重要的节点 还应进行有限元分析。
（3）钢管桁架（圆管或矩形管）
钢管桁架节点受力复杂，原88规范只有直接焊 接的平面桁架式圆管结构的条文。近几年同济大学 对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和分析；哈工 大对直接焊接的方管桁架结构（主管为方管，支管 为方管或圆管）的节点作了一些试验和分析，《钢 结构设计规范》修订时，其成果已部分纳入。
88规范后的90年代，重庆钢铁设计研究院会同云 南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点板 的试验，其中受拉试件16个，受压试件8个。从而总 结出用撕裂面法推导出来的公式。
由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些 受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳，用撕 裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外 多数国家的经验，规范建议对桁架节点板也可采用 有效宽度法进行承载力计算。
平面承重的大跨度钢结构
1 梁式结构体系
梁式结构体系一般采用简支桁架的形式，桁架 的优点是制作与安装都比较简单，其上、下弦及腹 杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。
适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量 过大而不经济。
重点是支撑系统的布置，对保证整个结构体系 的整体刚度是非常重要的。
大跨度梁式结构的外形及腹杆体系，确定的桁架的高跨比一般 为1/6～1/8。
常用形式： （1）角钢（或T型钢）桁架 （2） H型钢重型桁架* （3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）*
桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于35～ 40m时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的， 以减小对支承墙体或支柱传递的横向反力，横向反 力一般由屋架下弦的弹性变形产生。*
上海证券大厦
连接两幢主楼 的天桥桁架跨度 63m，共支承着从 17层至26层共8个 楼层，采用了H型 钢重型桁架。
随着热轧H型钢在我国投产，剖分T型钢用于桁 架弦杆或腹杆的情况越来越多。T 型钢桁架的优点 是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。
问题： （1）节点施工不方便； （2）节点构造方式不同，节点内的应力状态更加 复杂，同时，对节点受力研究不够，故规范公式均 不适用； （3）板件的局部稳定难以满足规范的规定。
上海浦东国际机场
上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m， 跨中高度超过11m，单榀屋架梁重55吨。
为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架梁 在风吸力作用下始终处于受拉状态，下弦布置了 一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。
（1）角钢（或T型钢）桁架
一般用节点板连接，过去采用的方法是按桁架 弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚，当受力较复 杂时不可靠。国外有些规范（如美国AISC规范）规 定需进行计算。
大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的 总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。 这些建筑采用大跨结构是受装配机器（如船舶、飞 机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。
展览馆
日本大分体育公园综合竞技场
伦敦千年穹顶
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家 标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工 规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造 均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以 钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。
大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛 盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨 度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材 料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
主要分为两大类：
平面结构体系
梁式体系 框架式体系 拱式体系
空间结构体系
实体结构类：薄壳、折板结构 网格结构类：网架及网壳结构 张力结构类：悬索结构、膜结构 混合结构类
有效宽度法假定腹杆轴力Ｎ通过连接件在节点板
内按照应力扩散角度传至连接件端部与N 相垂直的 一定宽度范围内，称为有效宽度be 。
假定be范围内的节点板应力达
到 fu ， 并 令 be·t·fu=Nu( 节 点 板 破 坏 时的腹杆轴力)，按此法拟合的结 果，当应力扩散角=270时精度最 高，计算值与试验值的比值平均 为 98.9% ； 当 =300 时 ， 比 值 为 106.8%，考虑到国外多数国家对 应力扩散角均取为300，为与国际 接轨且误差较小，建议取=300。
有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、 围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉 或螺栓连接时，be应取为有效净宽度）。
桁架节点板厚度选用表
一般的钢结构教科书和手册均列有“桁架节点板 厚度选用表”，但都系互相参考，缺乏科学依据。这 次该研究组先制作了N- t/b关系表（N为腹杆最大拉力 ；t为节点板厚度；b为连接肢宽度），反映了侧焊缝 焊脚尺寸hf1、hf2的影响。同时又在上述参数组合的 最不利情况下，重新整理出偏于安全的N—t表。相对 来说它比以往的N—t表更符合实际。
为保证节点板受压时的稳定，桁架杆件间间隙不 能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲
的节点板）c 15t 235 / f y，不能理解为c 值愈小愈
好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间 隙，不应小于20mm”，是由于间隙过小，焊接残余 应力影响过大。而对吊车桁架，为避免疲劳破坏又 规定此间隙“不宜小于50mm”；同时还规定在工作 温度-20C地区的桁架，为防冷脆，“腹杆与弦杆相 邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t ”。同样，这些规定 不能理解为杆件间间隙愈大愈好，在某些情况如出 现矛盾，应妥善处理。