大跨度结构分析1

大跨度结构分析

摘要：现阶段，随着社会生活和科技的发展需要，人们需要更大的覆盖空间，而其他结构形式受到跨度的限制，工程师们倾向于选择大跨度结构，于是大跨度空间结构得到了快速的发展。大跨度结构花样百出，但是最基本的结构形式有桁架结构、拱结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构等。

关键词：大跨度结构、建筑、应用

横向跨越30米以上空间的各类结构形式的建筑。大跨度结构多用于民用建筑中的影剧院、体育馆、展览馆、大会堂、航空港候机大厅及其他大型公共建筑工业建筑中的大跨度厂房、飞机装配车间和大型仓库等。

古代罗马已有大跨度拱顶见古罗马建筑。近代大跨度结构建筑至19世纪末已有较大成就。如1889年巴黎世界博览会的机械馆,是用三铰拱式的钢结构,跨度达115米。20世纪初,金属材料的进步和钢筋混凝土技术的发展促使大跨度建筑出现很多新的结构形式。如19121913年在波兰布雷斯劳建成的百年大厅采用钢筋混凝土穹窿顶,直径达65米,覆盖面积5300平方米。第二次世界大战后大跨度建筑又有新的发展以欧洲国家、美国和墨西哥发展最快。这个时期的大跨度建筑广泛地应用各种高强轻质材料如合金钢、特种玻璃和化学合成材料减轻了大跨度结构的自重使新颖的空间结构不断出现覆盖面积日益扩大。

结构类型有桁架结构、拱结构、网架结构、薄壳结构、网壳结构等。

1.桁架结构

桁架结构是指由若干直杆在其两端用铰连接而成的结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。

桁架结构中各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。

2.拱结构

拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线形构件。

拱结构比桁架结构具有更大的力学优点，因为桁架结构从整体上看毕竟还相当于一个受弯构件，而拱结构的受力状态则发生了与梁根本不同的受力改变，梁以其与外荷载垂直的直杆来抗衡外荷载，并借受弯把力传给支座，而拱借其凸向外荷载的曲杆来抗衡外荷载。

拱结构主要产生轴向压力。

按结构支撑方式分类，拱可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱3种，如图所示。三铰拱为静定结构，较少采用；两铰拱和无铰拱为超静定结构，目前较为常用。拱结构的支座会产生水平推力，跨度大时这个力不小，要对付这个水平推力是一件麻烦而又耗费材料的事。鉴于这个缺点，在实际工程应用中，桁架结构比拱结构用得更普遍。

3.单层刚架和排架结构

刚架结构通常是指由直线杆件通过刚性节点连接起来的结构。当梁与柱之间为铰接的单层结构，一般称为排架；多层多跨的刚架结构则常称为框架。

刚架结构构件较少，结构内部空间较大，更具有受力性能良好，制作方便，施工方便，造价较低，建筑造型美观等优点。刚架结构适于双坡屋面的单层中、小型建筑。门式刚架刚度较差，受荷载后产生跨变，因此工业厂房时，吊车起重量不宜超过100KN。刚架结构自重较大，用料较多，适用跨度受到限制。一般用在双坡屋顶的单层中、小型建筑，在工业厂房和体育馆、礼堂、食堂等民用建筑中广泛应用。

排架体系常用于高大空旷的单层建筑物如工业厂房、飞机库和影剧院的观众厅等。其柱顶用大型屋架或桁架连接，再覆以装配式的屋面板，根据需要，有的排架建筑屋顶还要设置大型的天窗、有的则需沿纵向设置吊车梁。由于排架体系的房屋刚度小，重心高，需承受动荷载，因此需要安装柱间斜支撑和屋盖部分的水平平斜支撑，还要在两侧山墙设置抗风柱。

4.平板网架结构

空间网架是通过节点连接组成一种网状的三维杆系结构，它具有三向受力的性能，各杆件之间相互支撑，具有较好的空间整体性，是一种高次超静定的空间结构。在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴力，因而能够充分发挥材料的强度，结构的技术经济指标也较好。

空间网架结构的外形为平板状，则称为平板网架结构。

平板网架为三向受力的空间结构，比平面结构自重轻、节省钢材。平板网架结构整体刚度大、稳定性好、安全储备高，能有效地承受各种非对称荷载，集中荷载、动荷载的作用；施工时不同步提升和地基不均匀沉降等有较强的适应能力，并有良好的抗震整体性；通过适当的连接构造，还能承受悬挂吊车及由于柱上吊车引起的水平纵横向的刹车力作用。平板网架是一种无水平推力或拉力的空间结构，一般简支支撑在支座上，这能使边支座大为简化，也便于下部承重结构的布置，构造简单，节省材料。平板网架结构应用范围广泛，平面布置灵活，适于各种跨度的工业建筑，如体育建筑、公共建筑等，平面上不论是方形、矩形、多边形、圆形、扇形等都能进行合理的布置。特别是在大、中跨度的层盖结构中网架结构更显示出其优越性。平板网架结构易于实现制作安装的工厂化、标准化，若采用螺栓连接，网架的杆和节点都可以在工厂生产，符合大工业生产发展的需要，现场方便拼装，技术简单，工作量小，且网架可拆、可装，便于建筑物的扩建改造或移动搬迁。平板网架结构节点多，布置均匀，占用的空间小，可利用网架上下弦之间的空间布置各种设备及管道等，能更有效地利用空间，使用起来方便、经济合理。网架的建筑造型新颖、美观、大方，因而为建筑师和业主所乐于采用。

50年代后期上海同济大学曾建造了装配整体式钢筋混凝土单层联方网架壳形结构建筑大厅部分净跨度为40米外跨度54米。上海文化广场的改建设计采用钢结构球节点平板型网架1970年建成。1976年建成的美国新奥尔良市体育馆圆形平面直径达207.3米,是当今世界上最大的钢网架结构建筑。

5.薄壳结构

壳体是由上下两个几何曲面构成的物体。这两个曲面之间的距离称为壳体的厚度，当厚度在壳体的任何位置相同时称为等厚度壳，反之则称为变厚度壳。当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。

壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。薄壳结构的优点是可以把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，减少受到的压力。

许多建筑物屋顶都运用了薄壳结构的原理。美国在40年代建造的兰伯特圣路易市航空港候机室由三组厚11.5厘米的现浇钢筋混凝土壳体组成每组是两个圆柱形曲面壳体正交并切

割成八角形平面状相接处设置采光带。两个圆柱形曲面相交线作成突出于曲面上的交叉拱既增加了壳体强度,又把荷载传至支座。支座为铰结点,壳体边缘加厚有加劲肋向上卷起使壳体交叉拱的建筑造型简洁别致。德国学者U.F.瓦尔德和 F.迪欣格尔等对壳体结构理论作出贡献。奈尔维设计的1950年建造的都灵展览馆是波形装配式薄壳屋顶建筑。

6．折板结构

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510厘米,最薄的预制预应力板的厚度为3厘米。跨度为640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。折板可分为有边梁和无边梁两种。无边梁折板由若干等厚度的平板和横隔板组成,V形折板是无边梁折板的一种常见形式。有边梁折板由板、边梁、横隔板等组成一般为现浇如1958年建成的巴黎联合国教科文组织总部大厦会议厅的屋顶是意大利P.L.奈尔维设计施工的。他按照应力变化的规律,将折板截面由两端向跨中逐渐增大使大厅屋顶的外形富有韵律感。

7.网壳结构

网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。

网壳结构又包括单层网壳结构、预应力网壳结构、板锥网壳结构、肋环型索承网壳结构、单层叉筒网壳结构等。

网壳结构的发展和大量的工程实践应用，网壳结构为建筑结果提供了一种新颖合理的结构形式，这主要是网壳结构具有以下优点：

（1）网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力合理，可以跨越较大的跨度。网壳结构是典型的空间结构，合理的曲面可以使结构力流均匀，结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高，节省材料。

（2）具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形状都能给设计师以充分的创作自由。薄壳结构与网格结构不能实现的形态，网格结构几乎都可以实现。既能表现静态美，又能通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现动态美。

（3）应用范围广，既可以用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，也别是超大跨度的建筑。在建筑平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面。在建筑外形上可以形成多种曲面。

（4）可以用小的构件组成很大的空间，而且杆件单一，这些构件可以在工厂预制实现工业化生产，安装简便快速，适应采用各种条件下的施工工艺，不需要大型设备，因此综合经济指标较好。

（5 ）计算方便。目前我国已有许多适用于多种计算机类型的各种语言的计算软件，为网壳结构的计算、设计和应用创造买有利条件。

（6 ）由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，不需像网架结构那样采用小立柱找坡。

8.悬索结构

悬索结构是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。

悬索结构具有以下特点：

1．悬索结构通过索的轴向受拉来抵抗荷载的作用，可以充分地利用钢材的强度。

2．悬索结构便于建筑造型，容易适应各种建筑平面，因而能满足各种建筑功能和表达形式的要求，有利于创作出新颖并富有动感的建筑体型。

3．悬索结构施工比较方便。因钢索自重轻，屋面构件一般也比较轻，因此施工时不需要大型起重设备。

4．悬索结构可以创造具有良好物理性能的建筑空间。双曲下凹蝶形悬索屋盖具有极好的音响性能，可用于对声学要求较高的公共建筑。悬索屋盖对室内采光也极易处理。5．悬索结构的稳定性较差。单根的悬索是一种几何可变结构，故常常需要布置一些索系或结构来提高屋盖结构的稳定性。

6．悬索结构的边缘构件和下部支撑必须具有一定的刚度和合理的形式，以承受索端巨大的水平拉力。因此悬索体系的支撑结构往往需要耗费较多的材料，当跨度小时，往往不经济。

国际上较早的悬索结构是1953~1954年建成的美国罗利市的牲畜馆它是一个双曲马鞍形悬索结构。1958~1962年E.沙里宁设计建造的美国华盛顿杜勒斯国际机场候机楼是有名的实例。候机楼宽45.6米长182.5米上下两层屋顶每隔3米有一对直径 2.5厘米的钢索悬挂在前后两排的柱顶上。在悬索结构上部铺设预制钢筋混凝土板构成屋面建筑造型轻盈明快。9.膜结构

膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料(PVC 或Teflon)及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在10㎜～30㎜水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。

用于膜结构中的高强度柔韧薄膜称膜材，它是一种耐久用、高强度的涂层织物，由织物和涂层复合而成，具有质地柔韧、厚度小、重量轻、透光性好的特点。对自然光吸收和透射能力、阻燃，具有良好的耐久、防火、气密等特性；表面经过氟素处理或二氧化钛处理的膜材料抗老化性能好，具有较高的自清洁性能。