《空间桁架结构设计》课件

空间桁架结构设计高强度、轻量化、大跨度的三维结构系统课程概述课程目标学习内容考核方式掌握空间桁架结构设计基本理论理论基础、计算方法理论考试占60%具备实际工程应用能力构造设计、施工技术第一章空间桁架结构概述定义与特性1三维受力体系发展历史2从简单到复杂结构优势3轻量高强大跨度应用领域4空间桁架的定义

1.1三维受力特性与平面桁架的区别由杆件组成的三维骨架结构平面桁架二维平面内受力各杆件在三维空间中相互连接空间桁架三维空间中受力形成稳定的空间结构体系空间桁架的发展历史

1.2早期应用工业革命现代发展未来趋势19世纪铁路桥梁钢材广泛应用计算机辅助设计智能化结构简单三角形组合制造工艺提升新材料应用空间桁架的优势

1.3轻量化高强度材料利用率高空间受力合理施工便捷大跨度能力可覆盖大面积无柱空间空间桁架的应用领域

1.4建筑领域桥梁工程航空航天体育场馆屋顶桥梁主体结构卫星支撑结构展览中心大厅轻型人行天桥第二章空间桁架的基本类型几何形状分类层数分类基于正多面体单元组合单层、双层和多层桁架网格类型曲面形式方形网格、三角形网格正四面体单元桁架

2.1几何特点基本单元为正四面体四个三角形面组成力学性能空间稳定性高受力传递均匀连接方式顶点连接形成网络可实现多向扩展正八面体单元桁架

2.2几何构成1由八个三角形面构成结构特点2单元间连接灵活应用场景3大型屋顶结构优势4材料利用率高四角锥单元桁架

2.3顶点单一节点连接多杆件底面正方形底面侧面四个三角形侧面正方形网格桁架

2.4三角形网格桁架

2.5结构特点力学优势三角形为基本单元分布力更均匀固有稳定性好空间刚度高12构造难度应用场景43节点复杂大跨度屋顶制作精度要求高穹顶结构球面网格桁架

2.6几何原理基于球面划分正多面体投影结构特点曲面形态空间封闭性好典型应用穹顶建筑展览场馆设计要点节点角度变化杆件长度差异第三章空间桁架的受力分析静力平衡内力与外力平衡变形分析结构整体变形稳定分析整体稳定与局部稳定计算方法解析法与数值法空间桁架的受力特点

3.13D空间力系统三维方向的内力分布100%轴向受力杆件主要承受拉压力0°剪力和弯矩理想状态下几乎为零N+M静定超静定/结构类型决定分析复杂度节点分析方法

3.2基本原理分析步骤适用范围以节点为研究对象自由体分析静定结构建立力平衡方程建立坐标系规则几何形态求解杆件内力列出平衡方程节点数量少求解未知力截面法

3.3有限元分析方法

3.4基本原理分析步骤优势离散化结构模型建立适用复杂结构建立方程组网格划分考虑多种受力数值求解施加边界条件可视化结果求解与后处理计算机辅助分析软件介绍

3.5第四章空间桁架的设计原则结构布置力学性能与经济性兼顾荷载分析全面考虑各种荷载材料选择适应环境与受力需求节点设计结构的关键部位支座设计确保荷载正确传递结构布置原则

4.1力学性能满足强度刚度稳定性经济性材料用量最少施工便利性便于加工与安装荷载分析

4.2恒载1结构自重固定设备重量活载2人群荷载设备运行荷载风荷载3风压力风吸力地震作用4水平地震力竖向地震力材料选择

4.3材料类型优点缺点钢材强度高、塑性好自重大、易腐蚀铝合金轻质、耐腐蚀成本高、强度低复合材料轻质高强、可设计性价格昂贵、工艺复杂节点设计

4.4支座设计

4.5铰支座滑动支座固定支座可转动不可位移一个方向可位移不可转动不可位移传递三向力传递两向力传递力和力矩第五章空间桁架的构造设计杆件设计节点构造支撑系统截面选择与长细比球节点、管节点、水平支撑与垂直支控制板节点撑防护设计防腐设计与防火设计杆件设计

5.1截面选择长细比控制圆管美观，风荷载小压杆控制稳定性方管连接简单拉杆考虑疲劳工字型抗弯能力强合理取值范围80-120节点构造

5.2球节点管节点多向连接能力强制作简便组合节点板节点适应复杂需求刚度高支撑系统设计

5.3水平支撑提高横向刚度垂直支撑增强纵向稳定性整体支撑形成完整空间体系防腐设计

5.4涂装镀锌防腐漆热浸镀锌环氧涂层电镀锌阴极保护牺牲阳极法外加电流法防火设计

5.5650°C

1.5h2-3cm临界温度耐火极限防火涂料厚度钢结构失效温度常规设计要求常用涂层厚度第六章空间桁架的施工技术工厂预制精确加工运输特殊要求现场安装多种方法质量控制严格标准工厂预制

6.1杆件制作节点制作下料切割精密加工端部处理质量检验防腐处理编号标识部分组装小单元组装预拼装检查分解包装运输要求

6.2防护措施装卸要求防碰撞包装正确吊装点防潮防尘避免变形尺寸限制编号系统符合道路运输规定清晰标识特殊件需办理手续按安装顺序排列2314现场安装方法

6.3整体提升法分块安装法滑移法地面组装后整体吊装按区域分块安装边缘组装后整体滑移适合中小型结构适合大型复杂结构适合线性延伸结构质量控制要点

6.4材料检验核对材质证明外观缺陷检查制作精度杆件长度偏差控制节点加工精度安装精度支座标高控制节点空间位置连接质量焊接外观质量螺栓紧固扭矩安全措施

6.5个人防护安全帽、安全带临时支撑2确保施工过程稳定气象监测大风暂停作业专项方案编制安全专项施工方案第七章空间桁架的计算机辅助设计传统设计1手工计算与绘图阶段2CAD二维绘图辅助建模3D3三维直观表达技术4BIM全生命周期管理参数化设计5智能化自动生成软件应用

7.1CAD技术在空间桁架设计中的应用

7.2BIM协同设计多专业信息整合1碰撞检测减少施工错误信息管理构件信息关联施工模拟虚拟施工过程参数化设计方法

7.3优化设计算法

7.4拓扑优化尺寸优化形状优化优化杆件布置优化截面尺寸优化节点位置减少冗余构件减少材料用量改善力流路径提高结构效率满足强度要求降低应力集中第八章空间桁架的性能评估静力性能动力性能疲劳性能承载能力与变形控振动特性与动力响长期循环荷载下的制应耐久性抗震性能地震作用下的安全性静力性能评估

8.1强度检验刚度检验1杆件内力与许用应力比较变形与允许挠度比较2节点验算稳定性检验4节点承载力与连接强度3整体稳定与局部稳定分析动力性能评估

8.

20.5Hz2-5%基本频率阻尼比结构自振频率下限值常规钢结构阻尼范围3-5振型数量通常考虑的主要振型疲劳性能评估

8.3抗震性能评估

8.4小震水平1基本不损坏中震水平2可修复损坏大震水平3不倒塌风振性能评估

8.5静风荷载动风荷载风压系数计算阵风效应风荷载分布分析脉动风压涡激振动颤振分析卡门涡街影响气弹失稳锁定效应临界风速第九章空间桁架的维护与加固定期检查发现早期问题评估状态确定损伤程度维护保养日常维护措施加固修复针对性加固方案日常检查与维护

9.1检查项目检查周期检查方法外观检查半年目视检查防腐层检查一年测厚仪检测连接节点检查一年紧固度检查变形测量二年精密测量损伤评估方法

9.2外观检查法无损检测法目视检查超声波探伤照相记录磁粉探伤缺陷标记射线检测静力加载试验位移测量应变测试承载能力评估加固技术

9.3节点加固杆件加固整体加固加设加劲板截面加大增设支撑系统更换连接件粘贴钢板改变传力路径增设连接构件更换新杆件增设阻尼装置第十章空间桁架的创新与发展趋势新材料应用智能结构可持续设计复合材料与高性能钢传感监测与自适应调节低碳环保与循环利用新材料应用

10.1智能结构技术

10.2传感监测1光纤传感器实时监测数据处理2大数据分析预警智能调节3主动控制结构行为全寿命管理4数字孪生技术应用可持续设计理念

10.3节能减排减少碳排放优化材料用量可循环利用模块化设计易于拆卸重组能源集成光伏面板整合雨水收集系统全寿命周期从设计到拆除整体环境影响最小装配式空间桁架

10.4信息化管理装配化施工全过程BIM工厂化生产干式连接标准化设计构件追溯管理自动化加工快速拼装模数化尺寸系统质量精确控制构件通用性案例分析鸟巢体育场英国伦敦奥运会游泳馆随机排列桁架波浪形屋顶12钢结构创新应用轻盈空间感广州南站上海世博会中国馆大跨度屋顶斗拱结构43模块化设计传统与现代结合总结与展望未来发展智能化与可持续性课程精髓理论与实践结合学习目标掌握设计方法与技术。