大跨度钢结构设计分析

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1、河北工业大学硕士学位论文第一章绪论1.1引言世界进入21世纪，回望人类建筑历史的发展，归纳总结可得到一个明显的特征：人类生产生活的建筑空间正不断地得到提高与扩大。原始社会，人类为了生存，或居于洞穴，或栖息于树洞，随着科学技术的发展与运用，伐木、伐竹筑屋，发展到当今的高楼大厦。从直径42米的古罗马圣彼得大教堂发展到现代英国跨世纪建设成千年穹顶（直径320米周圈大于1000m），反映出人类大跨度建筑的研究已经达到很高的水准。21世纪是人类历史上思想最开放、交流最广泛的时代，在全球范围内的交流中，给人类的建筑结构带来各种不同程度的融合发展。在人们的各种交往过程中中，体育比赛在和平年代是最能反映各国

2、综合实力的平台。因此，奥林匹克体育竞赛馆、世界杯足球比赛场等纷纷在世界各地堀起。各种学术研究、文化交流、艺术欣赏与商业洽谈促使很多城市建成各种规模的的会展中心、各种临时性或永久性的展览会。自从20世纪喷气式客机的问世后，人们对使用飞机出行越来越重视，对每个城市飞机场的要求越来越高，因而规模庞大的候机大厅和机库在各地涌现。由于以上提到的各种对建筑空间的需求，因此跨度大、自重轻、造型变化多样等特点就成为这些建筑的共同特征，甚至有些设计还根据使用者的要求对所围护的空间能够控制打开与闭合，如加拿大多伦多天空穹顶，就是目前世界上能够开启顶棚的最大跨度建筑。根据以往的设计案例得到的实践，在创作设计时经常

3、需要选择使用三维的空间结构来满足其要求，所以成为了设计师的首选方案。在人类的建筑史中很早就出现了利用空间结构来建造房屋的案例，例如我国半坡遗址中人们就利用一个原始的空间骨架来建筑自己的家园，而远在大洋彼岸的北美印第安人利用枝条搭成的穹顶与现代网壳则非常的相似。后来自欧洲文艺复兴时代出现的各种教堂建筑,位于梵蒂冈的圣彼得大教堂、意大利威尼斯的圣马可大教堂、法国巴黎圣母院和德国科隆大教堂等著名的哥特式教堂以砖石为材料制成的穹顶虽然非常厚重，但在一定程度上体现出空间结构的作用。现代空间结构的产生和发展，应该从20世纪初期兴起的钢筋混凝土薄壳开始算起，这正是由于当时出现了 新型的建筑材料—混凝土和钢

4、铁。在二战结束后，各国都需要从废墟中重建，建筑科学飞速发展，使空间结构遇到蓬勃发展的最佳机遇。到二十世纪50年代后期兴起1大跨度钢结构设计分析了以杆件为材料组成的空间网格结构，其中平面形的结构称为网架,曲面形的结构称为网壳。这种杆件材料一般由钢材或铝合金等金属材料制成,通过节点连接形成网状结构。近几十年出现了以承受拉力为主要受力特征的张拉结构，从最初的以钢索承重为主的悬索结构，发展到以高分子合成材料织物来受力的膜结构。从结构自重上能看出,砖石屋顶的6500㎏/㎡发展到膜结构的10㎏/㎡，表明了建筑结构跨越性的进步。综上所述，大跨度钢结构能最大程度的满足现代结构在空间上的各种要求，对于大跨度钢

5、结构的研究已经成为当今建筑结构学科中最重要的领域之一[5]。1.1课题的提出与钢筋混凝土结构或砌体结构相比，钢结构因其本身所特有的自重轻、施工快、强度高等优点，在"高、大、轻"三个方面有用得天独厚的优势。具体体现在以下三点：一、能得到较大的建筑使用空间，这是钢筋混凝土不能相比的；二、节约钢材，由于钢筋混凝土自重大、刚度小的特点，必然需要使用更多的建筑材料，同时也不利于环保；三、钢材材质较为均匀，更符合力学计算的假定条件，相应的力学计算分析更符合实际。随着我国经济建设和建筑科技水平的发展，长久以来混凝土和砌体结构为主的局面正在发生改变。钢结构产品广泛的应用于大跨度结构、厂房、多层及小高层甚至高

6、层住宅建筑中，成为建筑结构设计师的首选结构。大跨度钢结构方向由于其结构形式复杂，规模大，建造过程中经常会出现各式各样的问题。通过现有资料统计，此类结构的工程事故由于设计、施工的原因而发生结构倒塌事故的并不少见。对于这些大跨度钢结构的设计，目前可以借鉴的实际经验仍然较少，尤其是对结构的受力性能、地震稳定性能、地震动力性能等方面研究较少。所以，使用适当的分析方法进行大跨度钢结构模拟分析对结构的设计、施工及管理方面具有非常重要的意义。虽然大跨度结构发展速度恨快，各种不同造型复杂结构也越来越多，但目前的国家结构规范还没有对此类问题进行深入的研究和探讨，也没有更多的实际经验可以借鉴，所以这一新兴的研究

7、课题已经得到了国内外诸多学者的密切关注。正是因为具有空间形式优美、受力合理以及用钢量低等优点，当今的大跨度结构发展十分的迅速。其合理的内部受力本身就可以抵抗一部分外荷载作用，达到力学平衡。正因如此，大跨度钢结构对现代的建筑结构影响越来越重要，成为了衡量一个国家建筑科技水平的重要标志之一。2河北工业大学硕士学位论文1.1国外大跨度钢结构发展现状在二十世纪七八十年代前后,正是由于采用轻质高强的构件、钢索、膜材料应