大跨度空間結構（簡體書）

本書共分6章，主要介紹了網架結構、網殼結構、懸索結構和膜結構、管桁架結構以及空間組合結構和新型結構體系，空間組合結構和新型結構體系簡要地介紹了組合網架結構、斜拉結構、折疊式網殼結構、張弦結構、張拉整體結構、索穹頂結構、仿生結構、自由曲面結構、開合結構。各類型結構主要闡述了其設計方法與分析理論，突出實用的設計分析方法，1～5章都有實際應用案例介紹並配有思考題。
本書可作為高校土木工程專業選修課程教材，適合學時為32～40學時，各學校根據需要進行內容取捨。此外本書也可以作為建築學專業結構選型參考，也可為科研、設計、施工和管理人員參考。

王秀麗

蘭州理工大學，教授，王秀麗，女，博士，博士生導師，蘭州理工大學教授,博士生導師,甘肅省教學名師，甘肅省領軍人才，國家一級註冊結構工程師。1980年考入甘肅工業大學，1984年畢業同年就讀碩士研究生，1987年畢業，結構工程碩士學位。1999年破格晉升為教授，2000年考入哈爾濱工業大學結構工程博士研究生，師從於空間結構專家沈世釗教授，2004年畢業，結構工程博士學位，2004-2005年在日本楓橋科技大學做訪問學者半年，2014- 2015年在美國馬里蘭大學做訪問學者1年。並多次在美國、澳大利亞、加拿大、西班牙、意大利等國家學術訪問和學術交流。
自1987年碩士研究生畢業留校任教以來，先後為本科生、碩士、博士研究生開設了《結構力學》、《塑性力學》、《土力學地基基礎》、《鋼結構設計原理》、《鋼結構設計》，《鋼結構穩定理論》，《鋼筋混凝土結構非線性分析》、《建築結構抗震設計》、《大跨度空間結構》等十幾門專業課程，並先後指導碩士研究生100餘名。她專業知識寬厚、紮實，教風嚴謹，課堂秩序活潑，所授課程深受學生的歡迎，被評為“學生愛戴的老師”。1996年獲原機械工業部青年教師“教書育人”獎；同年，榮獲“校青年教師講課比賽”二等獎。1998年榮獲全國講課競賽一等獎，先後承擔100餘項科研課題，作為項目負責人主持國家“十二五”科技支撐項目1項，作為技術負責人承擔國家科技支撐項目1項,連續主持國家自然科學基金項目3項,省級各類科技攻關項目數十項，省級重點工程項目數十項，開展了大量的開創性的科學研究工作，極大地推動了甘肅省土木工程學科的發展,特別是對西部鋼結構領域的發展做出了重要貢獻，成為西部鋼結構的領軍人物。
作者現為國際空間結構與薄殼結構會員，中國土木工程學會空間結構委員會委員，中國鋼結構協會理事，中國鋼結構件檢測與鑑定專家委員會常務理事，中國鋼結構協會空間結構分會理事，中國鋼結構協會穩定與疲勞分會理事，國內核心期刊《空間結構》雜誌編委，甘肅省建設科技專家委員會委員，甘肅省555人才工程1-2層次，甘肅省土木建築學會建築結構委員會副主任委員，甘肅省鋼結構委員會主任委員，蘭州理工大學土木工程學科帶頭人。甘肅省建設科技專家委員會鋼結構專業委員會主任委員，甘肅省555人才工程1-2層次，甘肅省領軍人才。甘肅省土木建築學會建築結構委員會副主任委員，甘肅省“教學名師”，甘肅省土木工程領域學術帶頭人，甘肅省鋼結構專業首席專家。

本書凝結著作者多年的工程實踐和教學總結，深淺適宜，既有大跨度空間結構的基礎理論知識，也有豐富經典案例幫助學習。主要介紹了網架結構、網殼結構、懸索結構、管桁結構以及部分新型結構等，是一本非常適宜本科生、需要對大跨度空間結構進行初步了解、學習的科技人員閱讀。

大跨度空間結構的設計與建設是衡量一個國家建築科技水平的重要標誌之一，也是國家經濟、文化及文明發展的象徵。近年來隨著我國經濟的騰飛，空間結構越來越廣泛地在工程中應用，相關的內容十分豐富，空間結構的分析與設計得到越來越多的重視。對於結構設計人員而言，空間結構領域有更多的創造性設計，對於培養學生創新性思維也有極大的促進作用，因此各高校開設大跨度空間結構的課程，旨在讓更多的學生掌握空間結構基本選型、設計理念和設計方法。
結構選型與概念設計是空間結構重要的設計與研究內容之一。本書著重從結構形式和概念設計的角度出發，結合概念設計的基本原理，著重介紹大跨度空間結構體系的分類及特點，強調結構選型的重要性，並闡述各類結構的主要分析理論與設計方法，同時為了啟發讀者的創新思維，增加了工程案例，對其中部分工程進行點評，並對部分作者參與的實際工程設計與分析進行介紹，歡迎讀者對此共同探討(wangxl9104@126.com) 。此外書中部分內容結合作者近年的研究工作連同概念設計給出一些參考構造，便於同行參考。
全書共分為6章，第1章為概述，重點介紹空間結構的演變與發展的歷程，結合基本傳力理論探討空間結構構成的概念，此外結合工程實例說明空間結構概念設計的重要性，並對材料選用及相關內容進行了介紹，便於讀者全面了解空間結構的演變與發展的相關性；第2、3章著重介紹工程中最常用的網架和網殼結構，以滿足常規工程設計的需求；第4章介紹了懸索結構和膜結構的主要力學特徵及其設計要點；第5章是目前應用較多的管桁架體系，重點地對這類結構節點構造等進行介紹，並對相貫節點的設計進行論述；第6章對各類其他形式的空間結構進行介紹，同時對具有發展潛力的各種新型結構體系，包括索穹頂結構、弦支穹頂結構等進行了介紹。
本書內容參考了大量國內外空間結構著名專家學者的專著、研究論文以及工程實例，在此對相關的作者表示衷心的感謝。特別需要說明的是，本書所列舉的有關研究工作及工程項目得到國家自然科學基金面上項目（51278236），國家科技支撐計劃(2011BAK12B07)，甘肅省科技廳、建設廳及教育廳項目的資助，同時甘肅省建築勘察設計院、中國市政西北設計研究院有限公司等工程單位也為研究工作提供了大量的工程背景和研究平台，殷佔忠、馬肖彤、冉永紅、蘇成江、王本科、虞崇鋼等分別參加了部分相關的設計和研究工作，為本書部分章節提供數據平台，在此一併表示誠摯的感謝。
本書由王秀麗任主編並編寫第1～3章，梁亞雄負責編寫第4章，王秀麗、楊文偉負責編寫第5章，吳長負責編寫第6章，全書由王秀麗負責統稿。
由於時間倉促，加之編者水平有限，書中難免有大量的不足和疏漏，懇請讀者批評指正。
編者
2017.1

第1章概述1
1.1建築空間與大跨度空間結構1
1.1.1空間結構的概念1
1.1.2利用空間結構實現宏大的內部空間2
1.1.3空間結構應用範圍的拓展3
1.2輕型結構與空間結構4
1.2.1薄殼結構5
1.2.2拱與拱桁架結構5
1.2.3懸索結構及各種組合體系6
1.3建築材料的發展與空間結構6
1.3.1石材砌體結構7
1.3.2鋼筋混凝土空間結構7
1.3.3鋼結構7
1.3.4懸索結構和膜結構8
1.4大跨空間鋼結構的應用及發展9
1.4.1大跨空間鋼結構的應用9
1.4.2大跨空間結構理論分析的發展概要11
1.5空間結構的概念設計定義13
思考題14
第2章網架結構分析及概念設計15
2.1網架結構形式及選擇15
2.1.1網架結構的構成分析15
2.1.2網架結構的形式和選擇16
2.1.3網架結構的選型要點25
2.1.4網架結構的支承26
2.2網架結構基本尺寸的確定28
2.2.1網格尺寸的確定28
2.2.2網架高度的確定28
2.2.3網架的屋面構造29
2.3網架結構的內力分析方法30
2.3.1荷載和作用30
2.3.2網架的靜力計算方法33
2.4網架結構構造設計38
2.4.1網架的桿件設計與構造38
2.4.2網架結構的節點設計與構造39
2.4.3網架的支座節點50
2.5網架結構概念設計及實例點評53
2.5.1網架結構工程中存在的問題53
2.5.2網架工程實例及點評54
思考題57
第3章網殼結構分析及概念設計58
3.1網殼結構工程應用及特點58
3.1.1網殼結構發展及應用58
3.1.2網殼結構的特點60
3.1.3網殼結構現狀與概念設計61
3.2網殼結構形式、分類及其選型62
3.2.1網殼結構的分類62
3.2.2按網格形式劃分的網殼結構68
3.2.3網殼結構的選型75
3.3網殼結構一般設計原則76
3.3.1荷載和作用的類型76
3.3.2一般設計原則80
3.4網殼結構的內力分析方法簡述81
3.4.1概述81
3.4.2空間鉸支桿單元非線性有限單元法——空間桁架位移法82
3.4.3空間梁-柱單元非線性有限單元法86
3.5網殼結構的抗震概念設計95
3.5.1概述95
3.5.2網殼結構的動力特性95
3.5.3網殼結構的振動方程96
3.5.4抗震分析97
3.5.5幾種網殼結構的動內力分佈規律99
3.6網殼結構的穩定性及其概念設計101
3.6.1網殼的失穩現象101
3.6.2影響網殼結構穩定性的主要因素103
3.6.3網殼結構穩定性分析的連續化方法105
3.6.4網殼結構穩定性分析的有限單元法106
3.6.5網殼結構的穩定設計110
3.7網殼結構的桿件設計與節點構造112
3.7.1網殼結構的桿件設計112
3.7.2網殼結構的節點構造與設計115
3.8網殼結構工程實例與點評116
3.8.1單層球面網殼工程實例116
3.8.2雙層球面網殼實例119
3.8.3異型網殼工程實例120
思考題123
第4章懸索結構與膜結構124
4.1懸索結構的概念124
4.2懸索結構的受力與變形特點126
4.2.1索的支座反力126
4.2.2索的拉力127
4.2 .3懸索的變形127
4.3懸索結構的形式128
4.3.1單層懸索體系128
4.3.2雙層懸索體系130
4.3.3交叉索網體系132
4.4懸索結構分析134
4.4.1設計基本規定134
4.4.2荷載135
4.4.3鋼索設計138
4.5懸索結構的穩定分析與構造138
4.6懸索結構的動力特性及抗震抗風分析140
4.6.1自振特性與阻尼140
4.6.2懸索結構的地震反應分析141
4.6.3懸索結構的風振反應分析141
4.7懸索結構的強度和剛度的校核144
4.8懸索結構的節點構造145
4.8.1鋼索與鋼索連接146
4.8.2鋼索連接件146
4.8.3鋼索與屋面板連接147
4.8.4鋼索支承節點147
4.8.5鋼索與中心環的連接148
4.8.6鋼索與鋼檁條的連接149
4.8.7拉索的錨固149
4.9膜結構簡介149
4.9.1膜結構的分類151
4.9.2膜結構的材料154
4.9.3膜結構的荷載、作用及其組合156
4.9.4一般設計計算原則158
4.9.5索膜結構的基本理論與分析方法159
4.9.6膜結構的節點構造164
4.10工程實例簡介166
4.10.1美國雷裡體育館166
4.10.2北京工人體育館167
4.10.3加拿大卡爾加里滑冰館168
思考題169
第5章管桁架結構170
5.1管桁架結構的概念170
5.2管桁架結構選型172
5.2.1管桁架結構的基本形式172
5.2.2管桁架結構的分類172
5.3基本尺寸的確定174
5.4管桁架結構內力分析175
5.4.1管桁架的一般設計原理175
5.4.2管桁架的桿件設計177
5.5管桁架節點構造178
5.5.1管桁架節點分類178
5.5.2鋼管節點的構造要求180
5.5.3連接焊縫的計算183
5.5.4鋼管相貫節點的強度185
5.5.5矩形管直接焊接節點的承載力計算189
5.6管桁架結構工程實例192
思考題195
第6章其他空間結構簡介196
6.1概述196
6.2組合網架結構198
6.2.1組合網架結構的概念和應用概況198
6.2.2組合網架的特點與分類199
6.2.3組合網架的構件選型201
6.2.4組合網架的計算要點202
6.2.5組合網架構件設計、構造206
6.2.6組合網架施工方法簡介207
6.3斜拉結構208
6.3.1斜拉網架結構的形式208
6.3.2斜拉網架結構的特點209
6.3.3斜拉網架結構的選型209
6.3.4斜拉網架結構的內力分析210
6.3.5斜拉結構設計構造213
6.3.6工程實例與點評214
6.4折疊式網殼結構215
6.4.1折疊式網殼結構的簡介與特點215
6.4.2折疊式網殼結構的分類216
6.4.3折疊式網殼結構的工程應用216
6.5張弦結構219
6.5.1張弦網架結構簡介219
6.5.2張弦梁結構223
6.6張拉整體結構235
6.6.1張拉整體結構的簡述235
6.6.2張拉整體結構的形式和特點235
6.7索穹頂結構236
6.7.1索穹頂結構的發展和工程應用236
6.7.2索穹頂結構的形式和特點238
6.7.3索穹頂結構的初始預應力確定239
6.7.4索穹頂結構的節點構造245
6.8仿生結構246
6.9自由曲面結構248
6.9.1自由曲面結構簡介248
6.9.2自由曲面結構的形態創建249
6.10開合結構249
6.10.1簡述249
6.10.2開合結構的開合方式249
6.10.3工程應用250
思考題251
參考文獻252

結構震動控制包括基礎隔震、被動控制、主動和半主動控制及近年來提出的智能控制。有關土建結構振動控制研究與應用約有30年的歷史。我國空間結構中採用橡膠支座隔震已相當普及，但在空間結構振動控制方面尚處於起步研究階段，現已有可喜的科研成果。在基礎隔震方面，同濟大學、浙江大學等單位給出了各種支座的隔震性能、設計計算方法。浙江大學提出了適合於網格結構的黏彈性阻尼材料代替橡膠支座，北京交通大學研製出萬向支承萬向轉動抗震減震支座，獲得了專利。在網殼結構控制方面，哈爾濱工業大學提出了多個調諧質量阻尼器（TMD）的多重調諧阻尼器（MTMD）系統，建立了隨機振動計算模型，採用傳遞函數算法和非線性數學規劃方法確定其最優控制參數，並針對各類單層網殼進行了振動控制分析；設計了黏滯阻尼器，安裝在網殼上進行了地震模擬震動台試驗，得出有關結論。北京工業大學對網殼結構進行了半主動控制研究，提出將半主動控制器做成變剛度變阻尼桿件以替代網殼桿件的方法，並給出了控制桿件的最優佈置準則。蘭州理工大學提出採用約束屈曲支撐（BRB）代替部分網殼結構桿件的做法，利用通用有限元軟件ANSYS對這種新型結構體系的各種形式進行分析，尋找約束屈曲支撐在整體結構中的最優佈置和影響規律，在參數分析的基礎上，探索網殼結構減震體系的減震機理與變化規律，分析結構減震控制的關鍵因素。
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