大跨空间结构复习提纲

复 习 提 纲

1．简述大跨空间结构的基本结构形式及其共同特点。

答案：薄壳结构、网格结构（网架结构、网壳结构）、张力结构（悬索结构、薄膜结构）、混合结构等。 共同特点是：三维受力，通过合理的曲面形体抵抗外荷载作用。

2．简述空间桁架位移法的计算原理和步骤。

答案：基于空间杆系有限元理论，具体步骤为：1）建立基本方程及单元刚度矩阵; 2) 建立整体刚度矩阵；3）边界条件处理；4）内力计算及平衡校核；5）根据收敛条件来进行结构重分析。

3．简述张力结构的三个基本要素，及其对结构力学性能的影响。

答案：张力结构的三个基本要素为互反曲面、初始预张力、几何非线性。互反曲面的作用是维持结构的形状稳定性；初始预张力的作用是增强结构刚度；几何非线性的作用是使结构具有刚度硬化的特点，使结构的刚度不仅与材料的弹性伸长有关，还与构件的刚体转动有关。

4．简述螺栓球节点网架结构中螺栓的选择过程。

答案：（1）采用矩阵位移法等有限元方法求解单元内力；（2）如单元设计内力为拉力，螺栓则按照此拉力设计；计算公式为[Ntb ]=ψAn ftb ；（3）若单元内力为压力，则螺栓按照设计内力绝对值求得螺栓直径后，减少 1～3 个级别，但需保证套筒任何截面具有足

够的抗压强度。

5．简述网壳结构中装配应力的计算方法。

答案：网壳结构装配应力的计算采用空间杆系的有限单元法，基本原理与计算温度应力时相仿，即把杆件长度的误差比拟为由温度伸长或缩短即可。

6．简述膜结构设计的基本流程及各阶段需要完成的内容。

答案：膜结构的设计流程主要包括：初始形态分析、荷载效应分析、裁剪设计三部分。初始形态分析应确定满足一定初始应力分布的膜结构在自平衡态的几何形状。荷载效应分析应计算满足静力平衡条件的、在荷载作用下的结构内力和位移。裁剪分析应将空间膜曲面进行适当的剖分，将剖分的膜片展开为平面，在计算预应力的影响后确定膜材料的裁剪下料图。

7．试述索穹顶结构的基本思想、体系构成和受力特点。

答案：索穹顶是由美国工程师 Geiger 根据 Fuller 提出的“全张力体系（” Tensegrity）的概念发展而来的。Tensegrity 原是指由连续的拉杆与分散的压杆组成的自平衡体系，其指导思想是充分发挥杆件的受拉作用。这种体系由沿辐射方向布置的脊索、布置在与脊索同一竖平面内的斜向拉索（斜索）和竖向压杆（竖杆）、以及将同一圈竖杆的下端连成一体的环索组成；从受力特点看，它实际是一种特殊形式的双层空间索系；膜材覆盖在脊索上，在相邻脊索之间用一根谷索将膜材张紧。

8．说明索拱结构与张弦结构在力学性能上的差别。

答案：索拱体系两端一般为固定铰支座；索和拱可分别支承在不同结构上；体系自身通常不构成封闭力系。张弦结构一端为滑动铰支座，刚性构件的水平推力通过支座滑动与索拉力平衡；为自平衡体系，简化了施工。

9．网架设计采用空间桁架位移法，其计算假定有哪些？

答案：（1）节点为铰接，杆件只承受轴力；（2）按小挠度理论计算；（3）按弹性方法分析；（4）仅承受节点集中荷载。

10．简述三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂窝形三角锥网架的受力特点和应用范围。

答案：1）三角锥网架：受力均匀，空间刚度大，适用于大中跨度及重屋面的建筑物。2）抽空三角锥网架：整体刚度较差，适用于中小跨度的轻屋面的建筑物。

3) 蜂窝形三角锥网架：上弦平面六边形，增加屋面板布置和找坡的困难，适用于中小跨度的周边支承网架，用于六边形、圆形和矩形平面。

11．简述网架结构温度计算的基本步骤。

答案：（1）将网架各节点加以约束，求出因温度变化而引起的杆件固端内力和各节点的节点不平衡力；（2）取消约束，将节点不平衡力反向作用在节点上，用空间桁架位移法求由节点不平衡力引起的杆件内力；（3）将杆件固端内力与由节点不平衡力引起的杆件内力叠加，即求得网架的杆件温度应力。

12．说明预应力双索体系中稳定索的作用。

答案：（1）抵抗风吸力的作用；（2）通过张拉稳定索对体系施加预张力；（3）提高体系的刚度；（4）减轻屋面重量，提高结构抗震性能。

13. 简述 Levy 体系索穹顶相对于 Geiger 体系做了那些改进？优点是什么？答案：

改进：1）将脊索由辐射状布置改为联方形网格的形式；2）取消起稳定作用的谷索，斜索和压杆的布置也作了相应调整。优点：1）膜单元呈菱形双曲抛物面，可自然绷紧成形；2）整体空间作用加强，在不对称荷载或局部荷载作用下刚度有较大提高。

14. 简述高强钢棒相对于钢丝缆索的优点。

答案：钢棒在韧性、疲劳寿命、整体性、防火防腐性能方面均要优于钢丝缆索体系；而且易于吊运安装和测力，易于与不同构件连接。

15．试论述网架高度和网格尺寸的确定原则。

答案：网格尺寸和网架高度与网架跨度、支承情况、建筑平面、屋面材料、荷载大小等因素有关。网架尺寸取决于屋面材料的选用，若屋面采用无檩体系，即采用钢丝网水泥板或带肋钢筋混凝土屋面板，网格尺寸不宜超过 4m，否则屋面板将很笨重；如采用有檩体系，受檩条经济跨度影响，网格尺寸不宜超过 6m。网格尺寸（s）与网架高度（h)有密切关系，s/h 之比越大，斜腹杆与上、下弦平面夹角越小，通常应使斜腹杆与弦杆夹角为 40°∼ 55 °。

16．试论述找形法和找态法的区别所在。

答案：找态法沿用了传统结构力学分析的思路，分析中利用了力的平衡方程、变形协

调条件和材料本构关系，因此需要较为准确地给定初始几何形状，否则计算得到的预张力分布极不均匀。找形法仅利用了力的平衡方程，而放弃了变形协调条件和材料本构关系；因此尽管在找形过程中体系发生了较大的位移，但其内力仍为最初设定值。