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什么是空间结构

时间:1970-01-01 08:01:00

       在人类古老的建筑中早就已经出现了空间结构的痕迹,例如我国半坡遗址的居屋就是一个原始的空间骨架,而北美印第安人从他们始祖继承下来的棚屋,其以枝条搭成的穹顶与现代网壳则有惊人的类似.其后,自欧洲文艺复兴时代所出现的教堂建筑,以砖石构成的穹顶虽然又厚又重,但在某种程度上仍体现了空间作用.然而现代空间结构的出现,应该从20世纪初期兴建的钢筋混凝土薄壳算起,这应该道德归功于先进建筑材料—钢铁与混凝土的诞生.第二次世界大战之后,百废待兴,大量的建筑使空间结构走向蓬勃发展的康庄大道.50年代后期以杆件组成的空间网格结构崭露头角,其中平板形的称为网架,曲面形的称为网壳.这种结构的杆件以钢、木或铝合金制成,通过节点组合成网状结构.以后又陆续出现了以受拉来主要受力特征的张拉结构,起初有以钢索承重的悬索结构,其后则有以合成材料制成建筑织物来受力的膜结构.就结构自重而言,从砖石穹顶的6400㎏/㎡减少到膜结构的10㎏/㎡,说明了建筑结构飞跃的进步.因此,空间结构已成为本世纪建筑结构学科中最重要与最活跃的发展领域之一.

       空间结构建造及其所采用的技术往往反映了一个国家建筑技术的水平,一些规模宏大、形式新颖、技术先进的大型空间结构也成为一个国家经济实力与建筑技术水平的重要标志.近年来,世界各国在体育场馆、会议展览中心与机场的大规模建筑中采用了不少引人注目功能的要求.值得提出的是,中国在制定空间结构技术规范的工作上在世界上是独树一帜的,有关薄壳、网架、网壳、悬索等的规程与标准,有的已经颁发,有的正在编制,这些技术文件是中国在空间领域内工程实践和科研成果的结晶。

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空间结构又可分为:

  (1)网架结构

       网架结构是指由许多连续的杆件按照一定网格规律通过节点连接组成的网状空间结构,在接触处采用球状体加以连接以便加大受力面积。杆件主要承受轴力,能充分发挥材料的强度,节省钢材,利用较小规格的杆件建造大跨度结构,而且杆件类型统一便于加工制作。网架结构空间受力大,刚度大,重量轻,整体性强,稳定性高,抗震性能好,工业化程度高等优点。平板网架平面形状灵活,可设计成各种形状。网架结构已成为现代世界应用较普遍的新型结构之一,而且跨度越大,采用此种结构的优越性和经济效果也就越显著。网架结构可广泛应用于大、中跨度的公共建筑中,例如体育馆、飞机库、俱乐部、展览馆和候车大厅等的屋盖结构,中小型工业厂房也开始推广应用。按腹杆的设置不同可分为:交叉桁架体系、四角锥体系、三角锥体系和其它一些体系。网架的弦杆与边界相垂直时称为正放网架,与边界斜交时称为斜放网架。而构成网架的基本单元有三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等,由这些基本单元可组合成平面形状的三边形、四边形、六边形、圆形或其他任何形体。 

  一般而言,网架结构三种节点形式: 

  ·焊接球节点 

  ·螺栓球节点

  ·钢板节点 

    (2)悬索结构

       悬索结构是指由柔性受拉索(一般钢索)及其边缘构件和下部支承结构所组成的承重结构。悬索结构的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。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能,可以做到跨度大、自重小、材料省、易施工。悬索结构除用于大跨度桥梁工程外,还在体育馆、飞机库、展览馆、仓库等大跨度屋盖结构中应用。如:奥林匹克运动中心就是通过悬索结构制成的。

  (3)(网壳结构)壳体结构

       (网壳结构)壳体结构是指两端有竖向的支撑,沿着曲面的切线把力分解到两侧,而尺寸相比非常小,网壳结构可以做很大的跨度。由曲面形板与边缘构件(梁、拱或桁架)组成的空间结构。网壳结构的壳体的曲面,可由直线或曲线旋转而形成,其大部分是正高斯曲率,或由直线或曲线平移而形成,也可根据特殊情况而形成复杂曲面,也称无筋扁壳。曲面的形状根据使用要求和受力性能选定。壳体两表面之间的中间曲面称为中面,壳体的中面、厚度及边缘形状决定壳体的全部几何特性。壳体结构具有很好的空间传力性能,能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构,能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱,能兼承重结构和围护结构的双重作用,从而节约结构材料。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。壳体结构可做成各种形状,以适应工程造形的需要,因而广泛应用于工程结构中,如大跨度建筑物顶盖、中小跨度屋面板。网壳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(壳体结构)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。

       中国自50年代以来,用壳体结构建成许多实用、经济、美观的房屋建筑,如乌鲁木齐市某金工车间直径60米的椭球面壳,北京火车站大厅35×35米双曲扁壳,大连港仓库屋盖16个23×23米组合型扭壳。


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