最新第三章 大跨屋盖结构
小，符合小变形理论。
奥运会场馆
____________________________ ______________________
鸟巢
3.4.2单元刚度矩阵
一等截面空间桁架杆件ij如图所示，设局部直角坐标
系为 x yz ，x 轴与ij杆平行。
局部直角 坐标下
图3.24 ij杆的杆端轴力和位移
____________________________ ______________________
3.4.3结构总刚度矩阵及总刚度方程 ➢ 建立了杆件单元刚度矩阵之后，即可按照变形
协调及节点内外力平衡条件建立结构的总刚度 矩阵及相应的总刚度方程。 ➢ 对公式变换为：
____________________________ ______________________
✓ {Fi} ，{Fj}——分别为杆件ij在整体坐标系下 i，j点的杆端力列阵；
➢ 对于本例，总刚度矩阵中的第7行至第9行的元 素表示如下：
____________________________ ______________________
____________________________ ______________________
总刚矩阵具有下列特点： ➢ 矩阵具有对称性，计算时不必将所有元素列出，
____________________________ ______________________
3.4.4总刚矩阵中边界条件的处理方法 ➢ 未引入边界条件前，总刚矩阵[K]是奇异的，不
能进行求解。引入结构边界条件消除刚体位移 后，总刚矩阵为正定矩阵。
位移为零
处理方法 弹性约束
指定位移
____________________________ ______________________
网架杆件 节点位移
基本单元 单元刚度矩阵
基本未知量
节点平衡及变形协调条件
总刚度矩阵 总刚度方程
引入边界条件
节点位移值
单元内力与节点位移间关系
杆件内力
____________________________ ______________________
3.4.1网架计算基本假定
➢ 网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力； ➢ 结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变形很
只列出上三角或下三角即可。 ➢ 矩阵具有稀疏性。 ➢ 网架结构每一节点所连杆件数量有限，总刚矩
阵中除主对角及其附近元素为非零元素外，其 余均为零元素。 ➢ 非零元素集中在主对角线两旁的带状区域内， 计算机存贮时，按一维变带宽存放，可有效节 省计算机容量，带宽大小与网架节点编号有关， 进行网架节点编号时，应尽可能使各相关节点 号差值缩小。
图3.25 杆件在整体坐标中
____________________________ ______________________
➢ 设杆件ij （即 轴）与整体坐标x，y，z轴夹
角的余弦分别为l，m，n。由图25所示的几何关
系可以得出
✓ 式中lij——ij杆的长度
奥运会场所
____________________________ ______________________
➢ 并注意到[T]-1=[T]T，得到整体坐标下ij杆节点
力和位移的关系为：
____________________________ ______________________
➢ 得到杆件__________________ ______________________
➢ 杆端力向量为： ➢ 杆端位移向量为： ➢ 杆端力和位移的关系可写为
____________________________ ______________________
坐标转换
整体坐标
➢ 结构分析中为方便杆 端力和位移的叠加， 应采用统一坐标系， 即结构整体坐标xyz。 这样需对局部坐标系 下的单元刚度矩阵进 行坐标转换。
以图26所示的空间桁 架节点 3 为例，说 明总刚矩阵及总刚方 程的建立。该桁架共 有9个单元，5个节点， 单元及节点编号如图 示。相交于节点3的 杆件有⑥⑦⑧⑨。
图3.26 单元及节点编号
____________________________ ______________________
➢ 变形协调条件为连于同一节点上的杆端位移相 等 ，即：
➢令
分别表示杆件ij在整体
坐标系中的节点力，节点位移和单元刚度矩阵。
➢ 在整体坐标系中ij杆节点力和节点位移间的关 系力为：
➢ 两坐标系之间的转换关系为
____________________________ ______________________
➢ 式中[T]——坐标转换矩阵 ➢ 坐标轴的旋转变换和几何关系可导出：
✓ {δi}，{δj}——分别为杆件ij在整体坐标系 下i，j点的位移列阵；
✓ [Kij]，[Kjj]——分别为杆件ij在i端，j端发 生单位位移时，在i端，j端产生的内力；
✓ [Kij]，[Kjj]——分别为杆件ij在j端，i端发 生单位位移时，在i端，j端产生的内力。
____________________________ ______________________
➢ 内外力平衡条件为汇交于同一节点的杆端内力 之和等于该节点上的外荷载，即：
➢ 连于节点3的杆端力与各节点位移关系为：
____________________________ ______________________
➢ 整理得：
➢ 上式就是节点3得内外力平衡方程，对网架中得 所有节点，逐点列出平衡方程，联立起来便为 结构踪刚度方程，表达式为：
3.4空间杆系有限元法
➢ 空间杆系有限元法也称空间桁架位移法。 ➢ 空间杆系有限元法是计算精度最高的一种方法，
适用于各种类型、各种平面形状、不同边界条 件的网架，静力荷载、地震作用、温度应力等 工况均可计算。 ➢ 能考虑网架与下部支承结构的共同工作 。 ➢ 计算程序见下表。
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奥运会场馆
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鸟巢
3.4.2单元刚度矩阵
一等截面空间桁架杆件ij如图所示，设局部直角坐标
系为 x yz ，x 轴与ij杆平行。
局部直角 坐标下
图3.24 ij杆的杆端轴力和位移
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3.4.3结构总刚度矩阵及总刚度方程 ➢ 建立了杆件单元刚度矩阵之后，即可按照变形
协调及节点内外力平衡条件建立结构的总刚度 矩阵及相应的总刚度方程。 ➢ 对公式变换为：
____________________________ ______________________
✓ {Fi} ，{Fj}——分别为杆件ij在整体坐标系下 i，j点的杆端力列阵；
➢ 对于本例，总刚度矩阵中的第7行至第9行的元 素表示如下：
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总刚矩阵具有下列特点： ➢ 矩阵具有对称性，计算时不必将所有元素列出，
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3.4.4总刚矩阵中边界条件的处理方法 ➢ 未引入边界条件前，总刚矩阵[K]是奇异的，不
能进行求解。引入结构边界条件消除刚体位移 后，总刚矩阵为正定矩阵。
位移为零
处理方法 弹性约束
指定位移
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网架杆件 节点位移
基本单元 单元刚度矩阵
基本未知量
节点平衡及变形协调条件
总刚度矩阵 总刚度方程
引入边界条件
节点位移值
单元内力与节点位移间关系
杆件内力
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3.4.1网架计算基本假定
➢ 网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力； ➢ 结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变形很
只列出上三角或下三角即可。 ➢ 矩阵具有稀疏性。 ➢ 网架结构每一节点所连杆件数量有限，总刚矩
阵中除主对角及其附近元素为非零元素外，其 余均为零元素。 ➢ 非零元素集中在主对角线两旁的带状区域内， 计算机存贮时，按一维变带宽存放，可有效节 省计算机容量，带宽大小与网架节点编号有关， 进行网架节点编号时，应尽可能使各相关节点 号差值缩小。
图3.25 杆件在整体坐标中
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➢ 设杆件ij （即 轴）与整体坐标x，y，z轴夹
角的余弦分别为l，m，n。由图25所示的几何关
系可以得出
✓ 式中lij——ij杆的长度
奥运会场所
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➢ 并注意到[T]-1=[T]T，得到整体坐标下ij杆节点
力和位移的关系为：
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➢ 得到杆件__________________ ______________________
➢ 杆端力向量为： ➢ 杆端位移向量为： ➢ 杆端力和位移的关系可写为
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坐标转换
整体坐标
➢ 结构分析中为方便杆 端力和位移的叠加， 应采用统一坐标系， 即结构整体坐标xyz。 这样需对局部坐标系 下的单元刚度矩阵进 行坐标转换。
以图26所示的空间桁 架节点 3 为例，说 明总刚矩阵及总刚方 程的建立。该桁架共 有9个单元，5个节点， 单元及节点编号如图 示。相交于节点3的 杆件有⑥⑦⑧⑨。
图3.26 单元及节点编号
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➢ 变形协调条件为连于同一节点上的杆端位移相 等 ，即：
➢令
分别表示杆件ij在整体
坐标系中的节点力，节点位移和单元刚度矩阵。
➢ 在整体坐标系中ij杆节点力和节点位移间的关 系力为：
➢ 两坐标系之间的转换关系为
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➢ 式中[T]——坐标转换矩阵 ➢ 坐标轴的旋转变换和几何关系可导出：
✓ {δi}，{δj}——分别为杆件ij在整体坐标系 下i，j点的位移列阵；
✓ [Kij]，[Kjj]——分别为杆件ij在i端，j端发 生单位位移时，在i端，j端产生的内力；
✓ [Kij]，[Kjj]——分别为杆件ij在j端，i端发 生单位位移时，在i端，j端产生的内力。
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➢ 内外力平衡条件为汇交于同一节点的杆端内力 之和等于该节点上的外荷载，即：
➢ 连于节点3的杆端力与各节点位移关系为：
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➢ 整理得：
➢ 上式就是节点3得内外力平衡方程，对网架中得 所有节点，逐点列出平衡方程，联立起来便为 结构踪刚度方程，表达式为：
3.4空间杆系有限元法
➢ 空间杆系有限元法也称空间桁架位移法。 ➢ 空间杆系有限元法是计算精度最高的一种方法，
适用于各种类型、各种平面形状、不同边界条 件的网架，静力荷载、地震作用、温度应力等 工况均可计算。 ➢ 能考虑网架与下部支承结构的共同工作 。 ➢ 计算程序见下表。
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钢结构 第2版 孙德发 主编 第九章大跨度房屋结构新精品PPT课件
3.2.1节 网架结构的特点、优点与适用范围 3.2.2 网架结构的分类 3.2.3 平板网架的结构形式 3.2.4 平板网架的主要尺寸 3.2.5 平板网架的受力特点 3.2.6 网架的支承方式
3.2.1 网架结构的特点、优点与适用范围
特点：平面桁架相互交叉结合而成 优点： 1、多向受力的空间结构，跨度大 2、刚度大，稳定性好 3、杆件主要承受轴向力，能充分发挥 材料的强度 4、高次超静定，安全度高 5、结构高度小，不仅可以有效地利用建筑空间，
屋架按运输条件不合乎轮廓尺寸的要求（h＞3.85m），
如图9-1所示；当采用短尺寸屋面材料以及需要吊天棚 时，必须具有较小节间而设置复杂的再分式腹杆体系。
3.1.1 梁式大跨结构
预应力三 角形截面 的桁架便 于制造、 运输和安 装，给设 置大跨梁 式结构体 系以良好 的基础。
3.1 平面承重的大跨屋盖结构
而且能够利用较小的杆件建造大跨度结构 6、杆件类型划一，适用于工业化生产、地面拼装
的整体吊装
材料：一般为钢结构（Q235、Q345） 杆件：钢管、角钢 结点：空心球结点、钢板焊接结点 适用范围：中小跨度的工业和民用建筑、大跨度的
体育馆、展览馆等屋盖结构
3.2.2 网架结构的分类
按外形分：曲面网架、平面网架 一、曲面网架（网壳） 单曲、双曲、单层、双层
适用范围： 任意尺寸的
矩形建筑 平面 中等跨度： 30~60米 大跨度：60 米以上
由角部两个柱子共同承担，避免拉力集中
三、三向交叉网架
三个方向的桁架相互交叉 60度而成
特点： 1、上下弦网格均为三角形 2、空间刚度比两向网架好 3、杆件内力更均匀 4、结点汇交杆件多，构造复杂
适用范围： 大跨度 ，建筑平面为三角形、六边形、圆形
3.2.1 网架结构的特点、优点与适用范围
特点：平面桁架相互交叉结合而成 优点： 1、多向受力的空间结构，跨度大 2、刚度大，稳定性好 3、杆件主要承受轴向力，能充分发挥 材料的强度 4、高次超静定，安全度高 5、结构高度小，不仅可以有效地利用建筑空间，
屋架按运输条件不合乎轮廓尺寸的要求（h＞3.85m），
如图9-1所示；当采用短尺寸屋面材料以及需要吊天棚 时，必须具有较小节间而设置复杂的再分式腹杆体系。
3.1.1 梁式大跨结构
预应力三 角形截面 的桁架便 于制造、 运输和安 装，给设 置大跨梁 式结构体 系以良好 的基础。
3.1 平面承重的大跨屋盖结构
而且能够利用较小的杆件建造大跨度结构 6、杆件类型划一，适用于工业化生产、地面拼装
的整体吊装
材料：一般为钢结构（Q235、Q345） 杆件：钢管、角钢 结点：空心球结点、钢板焊接结点 适用范围：中小跨度的工业和民用建筑、大跨度的
体育馆、展览馆等屋盖结构
3.2.2 网架结构的分类
按外形分：曲面网架、平面网架 一、曲面网架（网壳） 单曲、双曲、单层、双层
适用范围： 任意尺寸的
矩形建筑 平面 中等跨度： 30~60米 大跨度：60 米以上
由角部两个柱子共同承担，避免拉力集中
三、三向交叉网架
三个方向的桁架相互交叉 60度而成
特点： 1、上下弦网格均为三角形 2、空间刚度比两向网架好 3、杆件内力更均匀 4、结点汇交杆件多，构造复杂
适用范围： 大跨度 ，建筑平面为三角形、六边形、圆形
大跨度建筑屋盖结构1
梁端部高度：一般不小于６０ｃｍ 双坡度的屋面坡度：1/8~1/12 梁截面高度：单坡梁h=(1/18~1/12)l 双坡梁h=(1/14~1/6)l 梁腹厚度：6~10cm
第三章 桁架结构
第一节 桁架的结构特点与优缺点
受力特点
开封县温泉游泳馆
宽141米
湖南国际会展中心
湖南国际会展中心
广泛用于工业厂房和体育馆等
第二节 门式刚架的类型与构造
类型
1.从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架
无铰刚架：超静定刚架，结构刚度大，但地基有不均匀 沉降时，将使结构产生附加内应力 有铰刚架：静定刚架，地基有不均匀沉降时，对结构不 会产生附加内应力，但跨度大时，刚度较差，一般用于 小跨度（12m）和基础较差的情况
屋架选型的一般原则
1、跨度36米以上：钢屋架 有侵蚀性介质：不宜采用钢结构 2、跨度36米以下：预应力钢筋混凝土屋架 18~24米：可选普通钢筋混凝土屋架 3、18米以下：钢筋混凝土组合屋架 4、相对湿度大于75%，或有侵蚀性介质：不宜 选用木屋架和钢屋架
第四章 拱结构
第一节 拱的结构特点与优缺点
钢筋混凝土门式刚架 梁高可按连续梁确定，一般取跨度的 1/15~1/20，但不宜小于250mm； 柱底截面高度一般不小于300mm，柱顶 截面高度则为600~900mm。 梁柱截面为等宽，一般应大于柱高的 1/20，且不小于200mm. 门式钢架的纵向柱高距一般为6m； 横向跨度以米为单位取整数，一般以3m 为模数，如15m、18m、21m、24m等。
钢刚架结构 钢刚架结构分为实腹式和格构式两种。 实腹式钢架适用于跨度不很大的结构， 常做成两铰式结构。当为两铰或三铰刚 架时，构件应为变截面。 实腹式刚架的横梁高度一般可取为跨度 的1/12~1/20。 格构式刚架结构的适用范围较大，有刚 度大、耗钢省等优点。 跨度较小时可采用三铰式结构，跨度较 大时可采用两铰式或无铰结构。格构式 刚架的梁高可取跨度的1/15~1/20。
第三章 桁架结构
第一节 桁架的结构特点与优缺点
受力特点
开封县温泉游泳馆
宽141米
湖南国际会展中心
湖南国际会展中心
广泛用于工业厂房和体育馆等
第二节 门式刚架的类型与构造
类型
1.从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架
无铰刚架：超静定刚架，结构刚度大，但地基有不均匀 沉降时，将使结构产生附加内应力 有铰刚架：静定刚架，地基有不均匀沉降时，对结构不 会产生附加内应力，但跨度大时，刚度较差，一般用于 小跨度（12m）和基础较差的情况
屋架选型的一般原则
1、跨度36米以上：钢屋架 有侵蚀性介质：不宜采用钢结构 2、跨度36米以下：预应力钢筋混凝土屋架 18~24米：可选普通钢筋混凝土屋架 3、18米以下：钢筋混凝土组合屋架 4、相对湿度大于75%，或有侵蚀性介质：不宜 选用木屋架和钢屋架
第四章 拱结构
第一节 拱的结构特点与优缺点
钢筋混凝土门式刚架 梁高可按连续梁确定，一般取跨度的 1/15~1/20，但不宜小于250mm； 柱底截面高度一般不小于300mm，柱顶 截面高度则为600~900mm。 梁柱截面为等宽，一般应大于柱高的 1/20，且不小于200mm. 门式钢架的纵向柱高距一般为6m； 横向跨度以米为单位取整数，一般以3m 为模数，如15m、18m、21m、24m等。
钢刚架结构 钢刚架结构分为实腹式和格构式两种。 实腹式钢架适用于跨度不很大的结构， 常做成两铰式结构。当为两铰或三铰刚 架时，构件应为变截面。 实腹式刚架的横梁高度一般可取为跨度 的1/12~1/20。 格构式刚架结构的适用范围较大，有刚 度大、耗钢省等优点。 跨度较小时可采用三铰式结构，跨度较 大时可采用两铰式或无铰结构。格构式 刚架的梁高可取跨度的1/15~1/20。
大跨度建筑结构形式与建筑造型
第三章大跨度建筑构造1龙江（Loongle）浙江林学院园林学院2009年秋概述大跨度建筑——大百科全书中关于大跨度建筑的定时是：跨度在30米以上的建筑，主要有民用建筑影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港等。
最早的大跨度建筑可以追溯到古罗马的万神庙，公元120~124年建成‘圆形平面，穹顶直径达到43.3米，用天然混凝土浇筑而成。
大跨度建筑常用结构形式☐大跨度常用建筑结构根据结构形式，受力构件排列组合不同可分平面平面机构体系和空间结构体系两大类，共八种。
它们是：☐平面结构体系有拱、刚架以及桁（héng）架。
☐空间结构体系有网架、折板（薄壳）、悬索、膜结构以及混合结构。
☐拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力；☐拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩；☐拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大。
1 拱及拱券结构特点早期罗马人在建筑中使用的拱券拱券在早期建筑中的应用拱券美国蒙哥马里体育馆用平行拱支承屋面覆盖圆形平面墨西哥马达莱纳体育中心体育宫用四道相交的拱支承屋面覆盖接近正方形的平面两片刚性拱支撑屋面索网两片交叉拱作为索网边缘构件在体育建筑中的拱2 刚架结构刚架结构特征、优缺点和适用范围:☐刚架是横梁和柱以整体连接方式构成的一种门形结构。
由于梁和柱是刚性节点，在竖向荷载作用下柱对梁有约束作用，因而能减少梁的跨中弯矩；同样，在水平荷载作用下，梁对柱也有约束作用，能减少柱内的弯矩。
☐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，因而应用非常广泛。
一般用于体育馆、礼堂、食堂、菜场等大空间的民用建筑，也可用于工业建筑。
刚架结构跨度尺寸☐跨度①实腹式：50～60米②格构式两铰刚架：60～120米③格构式无铰刚架：120～150米④折线弓形刚架：40～50米高15～20米☐断面①实腹式梁高h=(1/12～1/20)L设预应力拉杆h=(1/30～1/40)L②折线弓形刚架梁高、柱宽(1/15～1/25)L钢制刚架结构的玻璃暖房钢制刚架结构的飞机库某室内体育馆的木构刚架及天窗某刚架结构车站桁架结构3☐桁架是由杆件组成的一种格构式结构体系。
第三章大跨度建筑构造1
日本一家游泳馆的馆顶——张弦梁结构
四、折板结构及其建筑造型
（一）受力特点、优缺点和适用范围
折板结构是以一定倾斜角度整体相连的一种薄板体系。
优点：结构呈空间受力 状态，具有良好的力学 性能，结构厚度薄,省材
料，可预制装配，省模
板，构造简单。
适用范围：大跨度屋顶， 也可以用作外墙。
（二）折板结构形式：
1912～1913波兰布雷斯劳百年厅
中心部分是广阔的圆形大空间，直径高达65米，高42米，可以容纳 6,000多人。上方是23米高，由钢和玻璃构成的灯笼式圆顶。
1979年
美国底特律的韦恩县体育馆采用圆形平面，直径达266m，是
目前世界上跨度最大的钢网壳结构建筑。
1975年上海体育馆
主馆呈圆形，高33米，屋顶钢平板网架跨度直径110米，可 容纳观众18000人。
解决水平推力的几种方式
1.由拉杆承受拱推力 2.由框架结构承受拱推力 3.由基础承受拱推力
由拉杆平衡拱推力——武汉体育馆
由框架结构承受拱推力— —北京崇文门菜市
崇文门菜市场中间跨为售货大厅，屋顶为 32m跨的钢筋混凝土两铰拱，两边布置三层 高的钢筋混凝土框架以支承两铰拱，三层框 架部分为小营业厅。拱为装配式整体结构， 拱上铺加气混凝土屋面板，油毡屋面。根据 建筑造型要求，拱的矢高为拱跨的1／8，即 4m。
五、网格结构及其建筑造型
六、薄壳结构及其建筑造型 七、悬索结构及其建筑造型 八、膜结构及其建筑造型
一、拱结构及其建筑造型
（一）拱的受力特点、优缺点和适用范围
大跨屋盖结构
网格尺寸的 2 / 3 倍时，上下弦杆和腹杆等长。三角锥网架受力均匀，整体性能和抗扭刚
度好，适用于平面多边形的大众跨度建筑。 (2) 抽空三角锥网架 保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆，可得到抽空三
角锥网架。例如如图 3-15 所示的抽杆方法是沿网架周边一圈的网格不抽杆，内部从第二圈 开始沿三个方向每间隔一个网格抽掉部分杆，则下弦网格成为多边形的组合。抽杆后，网 架空间刚度受到削弱。下弦杆数量减少，内力较大。抽空三角锥网架适用于平面为多边形 的中小跨度建筑。
3.2 网架的形式
网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。双层网架是出上弦、下弦和腹杆组 成的空间结构(图 3-1)，是最常用的网架形式。三层网架是由上弦、中弦、下弦、上腹杆和 下腹杆组成的空间结构(图 3-2)，其特点是增加网架高度，减小弦杆内力，减小网格尺寸和 腹杆长度。当网架跨度较大时，三层网架用钢量比双层网架用钢量省。但由于节点和杆件 数量增多，尤其是中层节点所连杆件较多，使构造复杂，造价有所提高。
(4) 斜放四角锥网架 将正放四角锥上弦杆相对于边界转动 45°放置，则得到斜放四角锥网架。上弦网格呈 正交斜放，下弦网格为正交正放。网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理。下弦节点连接 8 根杆，上弦节点只连 6 根杆。适用于中小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩 形平面。 (5) 星形四角锥网架 星形四角锥网架的组成单元似一星体。将四角锥地面的四根杆用位于对角线上的十字 交叉杆代替，并在中心加设竖杆，即组成星形四角锥。十字交叉杆与边界成 45°角，构成 网架上弦，呈正交斜放。下弦杆呈正交正放。腹杆与上弦杆在同一竖向平面内，星形网架 上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。当网架高度等于上弦杆长 度时，上弦杆与竖杆等长，斜腹杆与下弦杆等长。星形网架一般用于中小跨度周边支承情 况。 3.2.2.3 三角锥体系网架 三角锥体系网架的基本单元是锥底为正三角形的倒置三角锥。锥底三条边为网架上弦 杆，棱边为网架的腹杆，连接锥顶的杆件为网架下弦杆。三角锥网架主要有三种形式。 (1) 三角锥网架 三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格，上下弦节点各连 90 根杆件。当网架高度为
度好，适用于平面多边形的大众跨度建筑。 (2) 抽空三角锥网架 保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆，可得到抽空三
角锥网架。例如如图 3-15 所示的抽杆方法是沿网架周边一圈的网格不抽杆，内部从第二圈 开始沿三个方向每间隔一个网格抽掉部分杆，则下弦网格成为多边形的组合。抽杆后，网 架空间刚度受到削弱。下弦杆数量减少，内力较大。抽空三角锥网架适用于平面为多边形 的中小跨度建筑。
3.2 网架的形式
网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。双层网架是出上弦、下弦和腹杆组 成的空间结构(图 3-1)，是最常用的网架形式。三层网架是由上弦、中弦、下弦、上腹杆和 下腹杆组成的空间结构(图 3-2)，其特点是增加网架高度，减小弦杆内力，减小网格尺寸和 腹杆长度。当网架跨度较大时，三层网架用钢量比双层网架用钢量省。但由于节点和杆件 数量增多，尤其是中层节点所连杆件较多，使构造复杂，造价有所提高。
(4) 斜放四角锥网架 将正放四角锥上弦杆相对于边界转动 45°放置，则得到斜放四角锥网架。上弦网格呈 正交斜放，下弦网格为正交正放。网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理。下弦节点连接 8 根杆，上弦节点只连 6 根杆。适用于中小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩 形平面。 (5) 星形四角锥网架 星形四角锥网架的组成单元似一星体。将四角锥地面的四根杆用位于对角线上的十字 交叉杆代替，并在中心加设竖杆，即组成星形四角锥。十字交叉杆与边界成 45°角，构成 网架上弦，呈正交斜放。下弦杆呈正交正放。腹杆与上弦杆在同一竖向平面内，星形网架 上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。当网架高度等于上弦杆长 度时，上弦杆与竖杆等长，斜腹杆与下弦杆等长。星形网架一般用于中小跨度周边支承情 况。 3.2.2.3 三角锥体系网架 三角锥体系网架的基本单元是锥底为正三角形的倒置三角锥。锥底三条边为网架上弦 杆，棱边为网架的腹杆，连接锥顶的杆件为网架下弦杆。三角锥网架主要有三种形式。 (1) 三角锥网架 三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格，上下弦节点各连 90 根杆件。当网架高度为
最新大跨度结构基础知识教学课件
大跨度钢结构的应用及其主要特点
应用
公共建筑(剧院，展览馆，体育场馆，车站等) 专门用途的建筑 (飞机库，汽车库等) 生产性建筑(飞机制造厂装配车间，造船厂等)
主要特点 •跨度大
120m 160m(长春体育馆，网壳结构，1998)
主跨1385m (江阴长江大桥，悬索结构，1999)
•个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化)
钢 筋 混 凝 土 屋 面 体 系
钢 檩 条 屋 面 体 系
网 格 数 跨 高 比 网 格 数
跨 高 比
两 向 正 交 正 放 ， 正 放 四 角 锥
正 放 抽 空 四 角 锥
(24 )+ 0 .2 L 2
1 01 4 (68 )+ 0 .0 7 L 2
(1 31 7)+ 0 .0 3 L 2
两 向 正 交 斜 放 ， 棋 盘 形 四 角 锥
网架和网壳结构(10)
a)正放四角锥斜置正放四角锥柱面网壳
e)抽空三角锥柱面网壳
双层柱面网壳的网格形式 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系
a)：刚度大，杆件少，最常用 b)：适用于小跨度，轻屋面 c)：系将a)斜置 3.三角锥体系 常用d) ， e) 两种
•双曲面网壳
网架和网壳结构(13)
a) 正交正放类 d) 正交斜放设斜杆类
b) 正交斜放类 e) 正交斜放设斜杆类
c) 正交斜放设斜杆类
双曲面网壳的网格形式 1.正交正放类
a):单层时在方格内设斜杆 双层时组成四角锥体 2.正交斜放类 b):抗剪强度弱 c):第三方向局部设斜杆 d):全部方格内设双斜杆 e):第三方向全局设斜杆
斜 放 四 角 锥 ， 星 形 四 角 锥 (68 )+ 0 .0 8 L 2
应用
公共建筑(剧院，展览馆，体育场馆，车站等) 专门用途的建筑 (飞机库，汽车库等) 生产性建筑(飞机制造厂装配车间，造船厂等)
主要特点 •跨度大
120m 160m(长春体育馆，网壳结构，1998)
主跨1385m (江阴长江大桥，悬索结构，1999)
•个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化)
钢 筋 混 凝 土 屋 面 体 系
钢 檩 条 屋 面 体 系
网 格 数 跨 高 比 网 格 数
跨 高 比
两 向 正 交 正 放 ， 正 放 四 角 锥
正 放 抽 空 四 角 锥
(24 )+ 0 .2 L 2
1 01 4 (68 )+ 0 .0 7 L 2
(1 31 7)+ 0 .0 3 L 2
两 向 正 交 斜 放 ， 棋 盘 形 四 角 锥
网架和网壳结构(10)
a)正放四角锥斜置正放四角锥柱面网壳
e)抽空三角锥柱面网壳
双层柱面网壳的网格形式 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系
a)：刚度大，杆件少，最常用 b)：适用于小跨度，轻屋面 c)：系将a)斜置 3.三角锥体系 常用d) ， e) 两种
•双曲面网壳
网架和网壳结构(13)
a) 正交正放类 d) 正交斜放设斜杆类
b) 正交斜放类 e) 正交斜放设斜杆类
c) 正交斜放设斜杆类
双曲面网壳的网格形式 1.正交正放类
a):单层时在方格内设斜杆 双层时组成四角锥体 2.正交斜放类 b):抗剪强度弱 c):第三方向局部设斜杆 d):全部方格内设双斜杆 e):第三方向全局设斜杆
斜 放 四 角 锥 ， 星 形 四 角 锥 (68 )+ 0 .0 8 L 2
大跨度建筑屋盖结构
优点：制作、构造、吊装及设计较简单，侧向刚度大，可以降低厂房的高度和不需设置屋面支撑
梁端部高度：一般不小于６０ｃｍ
双坡度的屋面坡度：1/8~1/12
梁截面高度：单坡梁h=(1/18~1/12)l 双坡梁h=(1/14~1/6)l 梁腹厚度：6~10cm
第二节 薄腹梁的设计要点 和大致尺寸
第三章 桁架结构
适用范围：大柱距的厂房或仓库
点支承
自由边必须设边梁或桁架梁
适用范围：飞机库或飞机修理装配车间
三边支承
01
悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。
02
拉索采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或部丝束，
03
边缘构件和下部支承构件则常常为钢筋混凝土结构。
悬索结构的组成：
第六章 悬索结构
可以创造具有良好物理性能的建筑空间。 悬索屋盖结构的稳定性较差。 悬索结构的边缘构件和下部支承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。
跨度36米以下：预应力钢筋混凝土屋架
03
18~24米：可选普通钢筋混凝土屋架
04
18米以下：钢筋混凝土组合屋架
05
相对湿度大于75%，或有侵蚀性介质：不宜选用木屋架和钢屋架
06
屋架选型的一般原则
第四章 拱结构
第一节 拱的结构特点与优缺点
利用地基基础直接承受水平推力
01
（落地拱）
02
第二节 承受拱水平推力 的结构处理手法
从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架
无铰刚架：超静定刚架，结构刚度大，但地基有不均匀沉降时，将使结构产生附加内应力 有铰刚架：静定刚架，地基有不均匀沉降时，对结构不会产生附加内应力，但跨度大时，刚度较差，一般用于小跨度（12m）和基础较差的情况
梁端部高度：一般不小于６０ｃｍ
双坡度的屋面坡度：1/8~1/12
梁截面高度：单坡梁h=(1/18~1/12)l 双坡梁h=(1/14~1/6)l 梁腹厚度：6~10cm
第二节 薄腹梁的设计要点 和大致尺寸
第三章 桁架结构
适用范围：大柱距的厂房或仓库
点支承
自由边必须设边梁或桁架梁
适用范围：飞机库或飞机修理装配车间
三边支承
01
悬索结构由受拉索、边缘构件和下部支承构件所组成。
02
拉索采用由高强钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或部丝束，
03
边缘构件和下部支承构件则常常为钢筋混凝土结构。
悬索结构的组成：
第六章 悬索结构
可以创造具有良好物理性能的建筑空间。 悬索屋盖结构的稳定性较差。 悬索结构的边缘构件和下部支承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。
跨度36米以下：预应力钢筋混凝土屋架
03
18~24米：可选普通钢筋混凝土屋架
04
18米以下：钢筋混凝土组合屋架
05
相对湿度大于75%，或有侵蚀性介质：不宜选用木屋架和钢屋架
06
屋架选型的一般原则
第四章 拱结构
第一节 拱的结构特点与优缺点
利用地基基础直接承受水平推力
01
（落地拱）
02
第二节 承受拱水平推力 的结构处理手法
从连接方式分：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架
无铰刚架：超静定刚架，结构刚度大，但地基有不均匀沉降时，将使结构产生附加内应力 有铰刚架：静定刚架，地基有不均匀沉降时，对结构不会产生附加内应力，但跨度大时，刚度较差，一般用于小跨度（12m）和基础较差的情况
大跨度建筑屋盖结构
施工过程管理
总结词
施工过程管理是确保大跨度建筑屋盖 结构施工顺利进行的重要保障。
详细描述
建立完善的施工管理体系，明确各岗 位的职责和要求，加强施工现场的协 调与监控，确保施工进度、质量和安 全等目标的实现。
施工质量控制
总结词
施工质量控制是确保大跨度建筑屋盖结构施工质量符合设计要求的重要环节。
详细描述
大跨度建筑屋盖结构
• 引言 • 大跨度建筑屋盖结构类型 • 大跨度建筑屋盖结构设计 • 大跨度建筑屋盖结构施工 • 大跨度建筑屋盖结构应用案例 • 大跨度建筑屋盖结构发展趋势与挑战
01
引言
主题简介
01
大跨度建筑屋盖结构是指跨越较 大空间、采用特殊结构形式的建 筑屋盖，通常用于大型场馆、会 展中心、机场等公共建筑。
施工监控与健康监测
通过实时监测和数据分析，对施工过程进行精确控制，确保结构的 安全性和稳定性。
预制构件与装配式施工
采用预制构件和装配式施工方法，提高施工效率，减少现场作业量， 降低安全风险。
绿色建筑与可持续发展
节能设计
01
通过合理的建筑布局、采光和通风设计，降低建筑能耗，提高
能源利用效率。
可再生能源利用
建立完善的施工质量管理体系，加强材料质量检测、施工过程监控和验收管理，确保各道工序的施工 质量符合设计要求和规范标准。同时，加强质量问题的处理和预防措施，避免质量事故的发生。
05
大跨度建筑屋盖结构应用案例
体育场馆屋盖结构
体育场馆作为大型公共建筑，其屋盖结构需要满足大跨度、大荷载和高使用频率的要求。常见的体育场馆屋盖结构形式包括 悬索结构、网架结构和张弦梁结构等。这些结构形式能够提供较大的空间跨度和承载能力，同时保证结构的稳定性和安全性 。
大跨度建筑构造(史上最全面)
具有独特外观
五、折板结构及其造型
❖ 类型
——断面 ——外形
折 板 结 构 及 其 造 型
折 板 结 构 及 其 造 型
六、薄壳结构及其造型
❖ 特点 ❖ 结构类型
n 类型 薄壳结构及其造型
筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳
1、受力特点及适用范围
❖ 受力特点 ：
❖ 用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构
❖ 特点 ❖ 结构类型
悬索结构及其造型
❖ 特点
分工明确——索网：钢索，只受力 ——边缘构件：梁、桁架、拱等 ——支承结构
造型新颖、跨度大、施工简便
❖ 1、受力特点及适用范围 ❖ 受力特点 ： ❖ 由索网、边缘构件、下部支撑结构三部分组成 ❖ 只承受轴向拉力，既无弯距也无剪力 ❖ 索网的边缘构件是索网的支座，索网通过锚固件与固定在边
万神庙
穹顶直径达43.3米。顶 端高度也是43.3米。它中央 开一个直径8.9米的圆洞。结 构为混凝土浇筑，为了减轻 自重，厚墙上开有壁龛，龛 上有暗券承重，龛内置放神 像。神像外部造形简洁，内 部空间在圆形洞口射入的光 线映影之下宠伟壮观，富有 神秘感。
上海体育馆
是国内大型的体育馆之一，一九七五年建 成使用。主馆呈圆形，高33米，屋顶网架 跨度直径110米，可容纳观众18000人。
二、刚架结构及其造型
三、桁架结构及其造型
❖ 特点 ❖ 结构类型 ❖ 造型
v桁架由以铰接三角形为单元 (空腹桁架是刚接四边形)、不承受垂直于杆轴的荷 载的杆件组成的格构体系
空腹桁架:桁架通常由上下弦杆和腹杆组成，普通桁架（称之为实腹桁架）的腹 杆由斜腹杆和（竖）直腹杆组成，但往往建筑师不希望出现斜腹杆影响其造型 和采光，那么去掉斜腹杆以后剩下由直腹杆和上下弦杆组成的桁架即为空腹桁 架。
五、折板结构及其造型
❖ 类型
——断面 ——外形
折 板 结 构 及 其 造 型
折 板 结 构 及 其 造 型
六、薄壳结构及其造型
❖ 特点 ❖ 结构类型
n 类型 薄壳结构及其造型
筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳
1、受力特点及适用范围
❖ 受力特点 ：
❖ 用混凝土等刚性材料以各种曲面形式构成的薄板结构
❖ 特点 ❖ 结构类型
悬索结构及其造型
❖ 特点
分工明确——索网：钢索，只受力 ——边缘构件：梁、桁架、拱等 ——支承结构
造型新颖、跨度大、施工简便
❖ 1、受力特点及适用范围 ❖ 受力特点 ： ❖ 由索网、边缘构件、下部支撑结构三部分组成 ❖ 只承受轴向拉力，既无弯距也无剪力 ❖ 索网的边缘构件是索网的支座，索网通过锚固件与固定在边
万神庙
穹顶直径达43.3米。顶 端高度也是43.3米。它中央 开一个直径8.9米的圆洞。结 构为混凝土浇筑，为了减轻 自重，厚墙上开有壁龛，龛 上有暗券承重，龛内置放神 像。神像外部造形简洁，内 部空间在圆形洞口射入的光 线映影之下宠伟壮观，富有 神秘感。
上海体育馆
是国内大型的体育馆之一，一九七五年建 成使用。主馆呈圆形，高33米，屋顶网架 跨度直径110米，可容纳观众18000人。
二、刚架结构及其造型
三、桁架结构及其造型
❖ 特点 ❖ 结构类型 ❖ 造型
v桁架由以铰接三角形为单元 (空腹桁架是刚接四边形)、不承受垂直于杆轴的荷 载的杆件组成的格构体系
空腹桁架:桁架通常由上下弦杆和腹杆组成，普通桁架（称之为实腹桁架）的腹 杆由斜腹杆和（竖）直腹杆组成，但往往建筑师不希望出现斜腹杆影响其造型 和采光，那么去掉斜腹杆以后剩下由直腹杆和上下弦杆组成的桁架即为空腹桁 架。
《大跨度房屋刚结构》PPT课件
68m
檩条
屋架
檩条 主檩条 屋架
812m
4050m 简单式
5070m 复杂式
精选ppt
4
梁式结构(2)
结构型式
•跨度较小时，可采用实腹式梁 (常用工字形截面)
•跨度在5070m及更大时，采用桁架形式(吊顶与下弦设间隙)
桁架外形及腹杆体系取决于跨度，屋面形式和吊顶结构
桁架高跨比一般为1/81/6(注：跨度大于50m时，运输超限)
精选ppt
11
拱式结构(4)
结构型式
•双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低) •无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高) •三铰拱(应用不广，拱钥铰使结构复杂化)
•亦分为实腹式和格构式 宜设计成等截面 实腹式截面高度可取跨度的1/801/50 格构式截面高度可取跨度的1/601/30
•水平推力 拉杆设置 支座设计 框架结构
主要特点 •跨度大
120m 160m(长春体育馆，网壳结构，1998)
主跨1385m (江阴长江大桥，悬索结构，1999)
•个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化)
精选ppt
2
大跨度房屋钢结构的类型
平面结构
由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成 纵向构件层层重复传递荷载，并不分担荷载 梁式，框架式和拱式结构
棋盘形四角锥网架
•由三角锥体构成(三种)
星形四角锥网架
三角锥网架
精选ppt
17
网架和网壳结构(5)
抽空三角锥网架
蜂窝形三角锥网架
•三(多)层网架
减少弦杆内力(25% 60%)，减小网格尺寸，大跨经济性好；杆件数量多
精选ppt
三层网架示意图