大跨度空间结构设计浅析

大跨度空间结构设计浅析

作者：邹鹏

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第30期

【摘要】本文介绍了目前几种常用大跨度空间结构的结构形式及特点，并分析了预应力结构、桁架结构和网架结构的设计关键点。

【关键词】大跨度；预应力空心楼板；网架结构；桁架 引 言

大跨度空间结构的设计、建造所采用的技术已经成为衡量一个国家建筑水平的重要标志，大跨度空间的结构以合理的受力及优美的造型在体育建筑、公共建筑，诸如展览馆、候机大厅、候机楼、会堂、大型室内游乐中心、商业中心、大型工业厂房、飞机库等得到了广泛应用，目前大跨度空间结构的建造和建造所使用的建筑技术可以用来衡量一个国家的建筑水平，许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观[1]。近几十年，科学技术的发展和生产力水平的提高，计算机的广泛应用，以及高强度材料和新型材料的出现，极大地促进了大跨度空间结构的发展，本文介绍了目前几种常用大跨度空间结构的结构形式及特点，并分析了预应力结构、桁架结构和网架结构的设计关键点。 一、几种常见大跨度空间结构范例与特色 1.网架结构

网架结构是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。网架结构主要形式：按结构组成分，有双层和三层网架；按支承情况，可分为周边支承、支承、三边支承和两边支承、周边支承与点支承相结合的混合支承等；按网格组成情况，可分为由两向或三向平面桁架组成的平面桁架体系和由三角锥、四角锥组成的空间桁架体系。

网架结构的主要优点：1）建筑高度小，能更有效的使用建筑空间，获得较好的经济效益。2）网格结构的刚度大，整体性好，抗震性能好。3）网格尺寸小，可采用小规格的杆件截面，并为采用轻型屋面提供了便利条件。4）便于制造定型化，网格可做成少数几种标准尺寸的组合单元，节点和零件，在工厂大量。组合单元若采用螺栓连接，网架可装可拆，也可任意加长或缩短，灵活性更大。5）由于网架杆件与节点的单一性，一般结构设计所需的施工图纸比较少。

网架结构缺点：节点区域用钢量较大，加工及制作费用仍较平面桁架高。 2.预应力空心楼板结构

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预应力空心楼板是一种新型适应大跨度结构的结构体系，它集合了空心楼板和预应力技术的优点，在使用跨度范围内能减小楼板自重，进而节约砼与钢材的用量，增强结构整体性，总体上能获得较好的经济效益和社会效益，并获得较好的使用功能。

预应力空心楼板的优点：1）用途非常广泛：适用于大跨度办公楼、展览大厅、教学楼、厂房、停车楼、市政桥梁板；2）跨度增大，获得较佳的使用空间； 3）可减少明梁或采用无梁结构，最大的增大楼层净高； 4）可降低结构自重；5）中空楼板可获得良好的隔音效果； 6）中空楼板可获得较好的隔热效果 7）可采用无梁结构，模板施工难度降低，建设速度提高。

大跨度现浇预应力空心楼盖的缺点： 1）预应力空心楼盖体系是多种技术、多种材料的结合。由于施工难度的增加，施工质量要求严格，因此要求施工人员须经专业培训； 2）预应力空心楼板有一定的适用范围，工程结构经济适用跨度为单向12.0米～19.0米；双向14.0米～27.0米； 3.架结构

桁架是由杆件通过焊接、插销、铆接或螺栓连接而成的钢结构，一般由直杆组成的具有三角形状的平面或空间结构。在荷载作用下，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而让材料强度得到充分利用，在跨度较大时比实腹梁节省材料，并且能减轻自重和增大刚度故，适用于较大跨度的承重结构和高耸结构。根据桁架的外形分为：平行弦桁架、折弦桁架、三角形桁架；以桁架几何组成方式分：简单桁架、联合桁架、复杂桁架；按所受水平推力分：无推力的梁式桁架、有推力的拱式桁架。

桁架结构的优点：1）桁架结构造型简洁、美观，主次结构分明，跨度大；2）主拱桁架在工程进行下料、切口、预拼装。现场焊接量较少。

桁架结构存在的缺点：1）钢桁架弦杆构件的下料切割、弯弧成型，钢桁架桁架腹杆相贯面切割等钢结构的加工制作需要拥有许多新型设备才能满足加工精度要求和工期进度要求；2）桁架结构的自重较大，造价高。 二、几种结构类型的设计关键点 1. 预应力结构

现代预应力混凝土结构的一个主要发展趋势是由简支到连续、构件到整体、静定向超静定的发展， 而在预应力下静定结构和超静定结构的最大区别在于预应力结构对超静定结构产生了次应力，因此正确的分析和应用次应力是预应力结构设计的关键[2]。

结构在预应力作用下产生变形， 如果结构是静定的， 变形不受到任何约束，结构在预应力作用下不会产生附加的支撑反力，因而也不产生次弯矩。但是，如果结构是超静定的， 变

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形会受到支撑的约束，结构在预应力作用下会产生附加的支撑反力（ 即次反力）， 该反力在结构内产生的弯矩称为次弯矩， 由次弯矩产生结构的次应力，合理地利用这种次应力进行设计能使预应力结构发挥更大的功能。 2.网架结构

大跨度空间网架结构刚度非常大，整体性能好，同时又是超静定结构，当其支座不均匀的沉降和刚度将对整体结构的内力产生非常大的影响。因此，合理的支座设计是网架结构设计点关键。

通过实际工程建模数值分析，发现支座刚度对内力影响很大，固定铰支座与滑动铰支座相比，明显减少上弦跨中杆件的内力，支座处杆件内力变化，下弦内力变化不明显。网架和下部钢筋混凝土结构整体计算模型与网架单独模型内力相差较大，支座刚度越大，相差越大，支座刚度越小，相差越小。下部支承网架的混凝土结构刚度对网架内力的影响，在地震工况下的影响较大，在正常使用荷载下影响较小； 支承结构刚度越大，整体模型内力越接近单独模型相同支座的内力[3]。网架个别支座失效对网架内力的影响较小，仅失效支座处相关杆件影响较大，离失效支座越远内力影响越小，杆件应力均未超过构件材料的极限强度，内力重分布很好，充分体现了网架的高次超静定结构的优越性。 3.桁架结构

在工程设计上对桁架结构的具体设计要求表现为：1.强度要足够，结构不能发生断裂或塑性变形；2.刚度要足够，不允许发生过大的弹性变形；3.稳定性要足够，不能发生失稳现象；4.抗震性能要好。一般桁架结构，单独的每榀桁架强度承载力、平面内刚度都很大，但是每榀桁架的相互联系一般都是按照构造进行设计，这样就有可能导致平面外的稳定性不足，进而导致整体结构失稳，因此，控制平面外的稳定是设计关键点。 三、结束语

在人类社会的发展历程中， 能够提供更大跨度和空间的结构常常是人们追求的梦想和目标， 空间结构的发展很大程度上反映了人类建筑史的发展。空间结构设计应经过多种结构体系选型对比后，再经过计算机的精确分析计算设计出既满足建筑使用功能，又符合结构安全及经济性的大跨度空间结构。 参考文献

[1] 蓝天。空间钢结构的应用与发展【J】.建筑结构学报，2001，22（4）：1-7。 [2] 陈鹤，王希建。预应力次应力的分析和应用【J】，山西：山西建筑 ，2009。 [3] 邓辉。网架结构支座对内力影响的研究【J】，甘肃：甘肃科技，2013。

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