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2016年二級(jí)結(jié)構(gòu)工程師《專業(yè)考試》講義
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大跨度空間結(jié)構(gòu)主要形式及特點(diǎn)
1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)
由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點(diǎn)連接起來的空間結(jié)構(gòu)稱之為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中雙層或多層平板形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)架。它通常是采用鋼管或型鋼材料制作而成。
1.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式
(1)平面桁架系組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：兩向正交正放網(wǎng)架、兩向斜交斜放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、三向網(wǎng)架等型式。
(2)四角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、星型四角錐網(wǎng)架、單向折線型網(wǎng)架等型式。
(3)三角錐組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要有：三角錐網(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架(分Ⅰ型和Ⅱ型)、蜂窩形三角錐網(wǎng)架等型式。
(4)六角錐體組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。主要形式有：正六角錐網(wǎng)架。
1.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)
空間工作，傳力途徑簡(jiǎn)捷;重量輕、剛度大、抗震性能好;施工安裝簡(jiǎn)便;網(wǎng)架桿件和節(jié)點(diǎn)便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產(chǎn)，有利于提高生產(chǎn)效率;網(wǎng)架的平面布置靈活，屋蓋平整，有利于吊頂、安裝管道和設(shè)備;網(wǎng)架的建筑造型輕巧、美觀、大方，便于建筑處理和裝飾。
2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)
曲面形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，有單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼之分。網(wǎng)殼的用材主要有鋼網(wǎng)殼、木網(wǎng)殼、鋼筋混凝土網(wǎng)殼等。
2.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式
主要有球面網(wǎng)殼、雙曲面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼等。
2.2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)
兼有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，桿件比較單一，受力比較合理;結(jié)構(gòu)的剛度大、跨越能力大;可以用小型構(gòu)件組裝成大型空間，小型構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)可以在工廠預(yù)制;安裝簡(jiǎn)便，不需大型機(jī)具設(shè)備，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好;造型豐富多彩，不論是建筑平面還是空間曲面外形，都可根據(jù)創(chuàng)作要求任意選取。
3膜結(jié)構(gòu)
薄膜結(jié)構(gòu)也稱為織物結(jié)構(gòu)，是20世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，由膜內(nèi)空氣壓力支承膜面，或利用柔性鋼索或剛性支承結(jié)構(gòu)使膜產(chǎn)生一定的預(yù)張力，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)體系。
3.1膜結(jié)構(gòu)的主要形式
主要有空氣支承膜結(jié)構(gòu);張拉式膜結(jié)構(gòu);骨架支承膜結(jié)構(gòu)等形式。
3.2膜結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)
自重輕、跨度大;建筑造型自由豐富;施工方便;具有良好的經(jīng)濟(jì)性和較高的安全性;透光性和自結(jié)性好;耐久性較差。
4懸索結(jié)構(gòu)
懸索結(jié)構(gòu)是以能受拉的索作為基本承重構(gòu)件，并將索按照一定規(guī)律布置所構(gòu)成的一類結(jié)構(gòu)體系，懸索屋蓋結(jié)構(gòu)通常由懸索系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)三部分構(gòu)成。用于懸索結(jié)構(gòu)的鋼索大多采用由高強(qiáng)鋼絲組成的平行鋼絲束，鋼絞線或鋼纜繩等，也可采用圓鋼、型鋼、帶鋼或鋼板等材料。
4.1懸索結(jié)構(gòu)形式
懸索結(jié)構(gòu)按索的布置方向和層數(shù)分為：?jiǎn)蜗騿螌討宜鹘Y(jié)構(gòu);輻射式單層懸索結(jié)構(gòu);雙向單層懸索結(jié)構(gòu);單向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu);輻射式預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu);雙向雙層預(yù)應(yīng)力懸索結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。
4.2懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
懸索結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用，結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)彎距和剪力效應(yīng)，可充分利用鋼材的強(qiáng)度;懸索結(jié)構(gòu)形式多樣，布置靈活，并能適應(yīng)多種建筑平面;由于鋼索的自重很小，屋蓋結(jié)構(gòu)較輕，安裝不需要大型起重設(shè)備，但懸索結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)理論與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，比較復(fù)雜，限制了它的廣泛應(yīng)用。
5薄殼結(jié)構(gòu)
建筑工程中的殼體結(jié)構(gòu)多屬薄殼結(jié)構(gòu)(學(xué)術(shù)上把滿足t/R≤1/20的殼體定義為薄殼)。
5.1薄殼結(jié)構(gòu)的形式
薄殼結(jié)構(gòu)按曲面形成可分為旋轉(zhuǎn)殼與移動(dòng)殼;按建造材料分為鋼筋混凝土薄殼、磚薄殼、鋼薄殼和復(fù)合材料薄殼等。
5.2薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
殼體結(jié)構(gòu)具有十分良好的承載性能，能以很小的厚度承受相當(dāng)大的荷載。殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性，以材料直接受壓來代替彎曲內(nèi)力，從而充分發(fā)揮材料的潛力。因此殼體結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)度高、剛度大、材料省的即經(jīng)濟(jì)又合理的結(jié)構(gòu)形式。
除以上幾種空間結(jié)構(gòu)外，尚有組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、管桁結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)、點(diǎn)連接玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)、索穹頂結(jié)構(gòu)等幾種常用空間結(jié)構(gòu)，都有自身的特點(diǎn)和實(shí)用范圍。比如點(diǎn)連接式玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)能利用玻璃的透明特性追求建筑物內(nèi)外空間的溝通和融合，人們可以透過玻璃清楚地看到支承玻璃面板的整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不僅起到支承作用，而且具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)功能;索穹頂結(jié)構(gòu)則完全體現(xiàn)了fuller關(guān)于“壓桿的孤島存在于拉桿的海洋中”的思想，是由連續(xù)的拉索和不連續(xù)的壓桿組成的一各受力合理、結(jié)構(gòu)效率極高的結(jié)構(gòu)體系。
6結(jié)束語
在人類社會(huì)的發(fā)展歷程中，能夠提供更大跨度和空間的結(jié)構(gòu)常常是人們追求的夢(mèng)想和目標(biāo)，空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展很大程度上反映了人類建筑史的發(fā)展。空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)正確合理地運(yùn)用不同的計(jì)算理論和程序方法進(jìn)行精確的分析，同時(shí)在空間結(jié)構(gòu)的形體設(shè)計(jì)中不能只注重美觀，還必須注重結(jié)構(gòu)受力的合理性和工程成本的等因素。
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