【结构学院】钢结构建筑的主要结构体系的特点及适用范围

来源：钢结构技术资讯

用于房屋建筑的结构体系有：

1、平面承重结构体系

平面结构体系有承重体系和附加构件两部分纸成,其中承重体系是由一系列相互平行平面结构组成,承担该结构平面内的竖向荷载和横向水平荷载,并传递到基础。附加构件由纵向构件及支撑组成,将各个平面结构连成整体,同时也单受结构平面外的纵向水平力。轻式刚架结构(图1)是最近几年来广泛应用的平面承重结构体系,除厂房建筑外,还有商业建筑(如超市等)、汽车展厅、体育馆等。常用的有两铰刚架、三铰刚架及无铰刚架,梁柱戒有等截面及变截面两种形式。

2、空间受力结构体系

空间受力结构体系分为网性室间结构和柔性闻结构等。

（1）刚性空间结构的网格结构有网架结构和网壳结构、桁架结构

网架结构(图2)是空间网格结构的一种.它是以大致相同的格子或尺寸较小的单元组成。由于网架结构其有优献的结刊性能,良好的经济性、安全性与适用性,在我国的应用也比较广泛,特别是在大型公共建筑和工业厂房屋盖中更为常见。

人们通常将平板型的空间网格结构称为网架,将曲面型的空闻网格结构称为网壳。

网架一做是双层的,在某些情况下也可以做成三层网架结构受杆件通过节点有机的结合起来。节点一般设计成铰接,材料主要承受轴向力,杆件的截面相对小。网架结构最大的转点是由于杆件之间的互相支撑作用,很多杆件从两个方间成多个方向有规律的组成高次超静定空间结构,它刚度大多、整体性好，抗震能力强,而且能够承受由于地基不均匀沉降所带来的不利影响。即使在个别杆件受到损伤情况下,能自动调节杆件的内力,保持结构的安全:网架的杆件多为钢管，有时也采用其他型钢,材质为Q235或Q345。网架结构能够适应不同的跨度、不同的支承条件的公共建筑和工业厂房的要求,也能适应不同建平面及其组合。

网壳结构属于曲面型型网格结构，网壳只有单层和双层两种,是主要受薄膜内力的壳体,其有杆系构构造简单和薄壳结构受力合理的特点。因而是一类跨越能力大、刚度好、材料省、杆件单一、作安装方便、有广阔应用和发展前景的大跨度和超大跨度的空间结构。

（2）柔性空间结构有悬索结构、弦支结构及索膜結构

1）悬索结构   悬索结构通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用,是以一系列受拉钢索为主要承受构件，按照一定的规律布置，并悬挂在边缘构件或支承结构上而形成的一种空间结构。钢索的材料是由高强度钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束等。可以最充分的利用钢索的抗拉強度,大大减轻结构自重。边缘构件或支承结构用于锚固钢索，并承受悬索的拉力,可采圈梁、拱、桁架等，也可采用柔性拉索作为边缘构件。

2)弦支结构 弦支结构(张弦梁和弦支穹顶)是由下弦索、上炫梁和竖腹杆组成的

索杆、梁结构体系:通过对下弦的张拉,腹杆的轴向力使上弦梁产生与外荷载作用相内力和变位,起卸载作用。

弦支穹顶是日本法政大学川∏卫教授1993年研制成功的,其特点是通过对拉索施加预应力,使上层单层壳中产生与荷载反向的变形接和内力,这样较单纯单层网壳杆件内力及节点位移小得多,即解决了单层网壳的稳定性问题,并减小甚至完全消除了对下部结构产生的水平推力。

3)索膜结构   索膜结构是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是由多种高强度薄膜材料及加强构件(如钢架、纲柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成一种空间形式,作为覆盖结构并能承受一定外荷载作用的空间结构。

膜结枃目前被列入世界最轻的建筑结构之中。膜建筑屋面的重量仅为常规钢屋面的1/30,这很显然降低了墙体与基础的造价;由于膜工程中所有的加工与制作均在、工厂内完成,施工现场的灾装施工工期几乎要比传统的建筑施工工期快一倍:膜建筑中所用的膜材,热传导性较低,单层膜的保温效杲可与砖墙相比,优于玻璃,其半透明性在建筑内部产生均匀的白然漫散射光,减少了白天电力照明时间,非常节能;膜材对外线有较高的过滤性,可过滤大部分的外线;同时膜材有很高的自洁性,通过雨水的冲刷,可保外观的自洁,所以说膜建筑是21世纪的绿色环保建筑:由于膜建筑自重轻,可以不需要内部支择而盖大面积的空间。

人们可以更自由的创造更大的建筑空间。从目前掌握的技术来看,我们可建造1000m的跨度。也就是说,跨度越大,越能体现出膜建筑的经济性。膜建筑的吸声、防火方面也表现不俗;由于膜建筑的特点,建筑师可充分地展开想象的翅膀,实现传统建筑所实现不了的建筑梦想。目前膜建筑被广泛的用于以下各个领域：

文化设施——展览中心、剧场、会议厅、溥物馆、植物园、水族馆等；

体育设施——体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆等；

商业设施——商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头(挑檐)、商业街等；

交通设施——机场、火车站、收费站、码头、加油站、天桥连廓等；

工业设施——工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等；

景观设施——建筑人口、标志性小品、步行街、停车场等。

我国2002年由上海市建没工程标准定额管理总站编制的《膜结构技术规程》,在综合考虑了国内外的实践经验的基础上,根据造型需要和支撑条件等,将膜结构分为以下四种结构形式：

A、    气承式膜结构:主要依靠膜曲面的气压差来维持膜曲面的形状。该结构要求有密闭的允气空间,并应设置维持內压的充气装置。

B、  索系支承式膜结构:由间索系作为主要的受力构件,在索系上布置按要求设计的张紧的膜材。

C、  骨架支承式膜结构:由钢构件或其他刚性结构作为承重骨架,在骨架上布置按设计要求的张紧的膜材。

D、 整体张拉式膜结构:由桅杆等支撑结构提供吊点,并在周边设置锚固点,通过张拉而形成的稳定体系。

3、多层、高层和超高层建筑结构体系

多层、高层和超高层建筑结构体系主要由框架、框架一支撑体系、框架一内筒体系、带臂桁架的框架一内筒体系、筒中筒及成束筒等结构体系。

框架钢结构是种常用的钢结构形式,多用于大跨度公共建筑、工业厂房和一些对建筑空间、建筑体型、建筑功能有特殊要求的建筑物和构筑物中，如剧院、商场、体育馆、展览厅、造船厂、飞机厂、停车库、仓库、工业业车间、电厂锅炉刚架等，并在高层和超高层建筑中有了越来越广泛的应用,如最近以来,钢结构框架住宅体系,趣来越受到人们的重视。

框架结构一般可分为单层单跨、单层多跨和多层多跨等结构形式,以满足不同建筑造型和功能的需求。

根据结构的抗恻力体系的不同,钢结构框架可分为纯框架、中心文撑框架、偏心攴撑框架、框筒。

纯框架结构延性好,但抗侧力刚度较差;中心支撑框架通过支撑提高框架的刚度,但支撑受压会曲,支撑屈曲将导致原结构的承载力降低:偏心支撑框架可通过偏心梁段剪切屈服限制支撑的受压屈曲,从而保证结构具有一定的承载力和良好的耗能性能,而结构抗侧力刚度介于纯框架和中支撑框架之间；框筒实际上是密柱框架结构，由于梁小、刚度大,使同杜近似构成个整体受弯的薄壁简体,其有较大的抗侧刚度和承载力,因而框筒结构多用于高层建筑。