大跨建筑结构(设计要点)

大跨建筑结构参考书目：1.《大跨空间结构》张毅刚等编机械工业出版社；2.《大跨空间结构》完海鹰编中国建筑工业出版社；3.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91；4.《空间结构设计与施工》东南大学出版社；概述大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、航空港等。大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。这些建筑采用大跨结构是受装配机器（如船舶、飞机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。展览馆日本大分体育公园综合竞技场伦敦千年穹顶大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。主要分为两大类：平面结构体系梁式体系框架式体系拱式体系空间结构体系实体结构类：薄壳、折板结构张力结构类：悬索结构、膜结构混合结构类网格结构类：网架及网壳结构平面承重的大跨度钢结构1梁式结构体系梁式结构体系一般采用简支桁架的形式，桁架的优点是制作与安装都比较简单，其上、下弦及腹杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量过大而不经济。重点是支撑系统的布置，对保证整个结构体系的整体刚度是非常重要的。大跨度梁式结构的外形及腹杆体系，决定于跨度、屋面型式及吊天棚结构的形式，常用的有梯形和拱形桁架。按重量最优确定的桁架的高跨比一般为1/6～1/8。常用形式：（1）角钢（或T型钢）桁架（2）H型钢重型桁架*（3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）*桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于35～40m时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的，以减小对支承墙体或支柱传递的横向反力，横向反力一般由屋架下弦的弹性变形产生。*上海证券大厦连接两幢主楼的天桥桁架跨度63m，共支承着从17层至26层共8个楼层，采用了H型钢重型桁架。上海浦东国际机场上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m，跨中高度超过11m，单榀屋架梁重55吨。为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架梁在风吸力作用下始终处于受拉状态，下弦布置了一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。（1）角钢（或T型钢）桁架一般用节点板连接，过去采用的方法是按桁架弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚，当受力较复杂时不可靠。国外有些规范（如美国AISC规范）规定需进行计算。88规范后的90年代，重庆钢铁设计研究院会同云南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点板的试验，其中受拉试件16个，受压试件8个。从而总结出用撕裂面法推导出来的公式。由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳，用撕裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外多数国家的经验，规范建议对桁架节点板也可采用有效宽度法进行承载力计算。有效宽度法假定腹杆轴力Ｎ通过连接件在节点板内按照应力扩散角度传至连接件端部与N相垂直的一定宽度范围内，称为有效宽度be。假定be范围内的节点板应力达到fu，并令be·t·fu=Nu(节点板破坏时的腹杆轴力)，按此法拟合的结果，当应力扩散角=270时精度最高，计算值与试验值的比值平均为98.9%；当=300时，比值为106.8%，考虑到国外多数国家对应力扩散角均取为300，为与国际接轨且误差较小，建议取=300。有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉或螺栓连接时，be应取为有效净宽度）。桁架节点板厚度选用表一般的钢结构教科书和手册均列有“桁架节点板厚度选用表”，但都系互相参考，缺乏科学依据。这次该研究组先制作了N-t/b关系表（N为腹杆最大拉力；t为节点板厚度；b为连接肢宽度），反映了侧焊缝焊脚尺寸hf1、hf2的影响。同时又在上述参数组合的最不利情况下，重新整理出偏于安全的N—t表。相对来说它比以往的N—t表更符合实际。为保证节点板受压时的稳定，桁架杆件间间隙不能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲的节点板），不能理解为c值愈小愈好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙，不应小于20mm”，是由于间隙过小，焊接残余应力影响过大。而对吊车桁架，为避免疲劳破坏又规定此间隙“不宜小于50mm”；同时还规定在工作温度-20C地区的桁架，为防冷脆，“腹杆与弦杆相邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t”。同样，这些规定不能理解为杆件间间隙愈大愈好，在某些情况如出现矛盾，应妥善处理。yftc/23515随着热轧H型钢在我国投产，剖分T型钢用于桁架弦杆或腹杆的情况越来越多。T型钢桁架的优点是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。问题：（1）节点施工不方便；（2）节点构造方式不同，节点内的应力状态更加复杂，同时，对节点受力研究不够，故规范公式均不适用；（3）板件的局部稳定难以满足规范的规定。（2）H型钢重型桁架桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长，以H型钢作弦杆或腹杆的重型桁架，设计时应注意节点的次应力，或按刚接节点设计，对重要的节点还应进行有限元分析。（3）钢管桁架（圆管或矩形管）钢管桁架节点受力复杂，原88规范只有直接焊接的平面桁架式圆管结构的条文。近几年同济大学对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和分析；哈工大对直接焊接的方管桁架结构（主管为方管，支管为方管或圆管）的节点作了一些试验和分析，《钢结构设计规范》修订时，其成果已部分纳入。2框架结构体系与梁式结构体系相比，框架式体系比较经济，且横梁高度可以取得比梁式结构的高度小，刚度也较大，常用于工业建筑。框架柱柱脚可以作成铰接，也可以作成刚接。无铰框架刚度更好，用钢量省、便于安装，但这种框架对温度作用比较敏感，对基础及地基的要求较高。主要有实腹式和格构式两大类。（1）实腹式框架结构体系实腹式框架适用于跨度不太大（L=18～60m）的框架结构。它的优点是制作简单、便于运输，还能降低房屋高度。实腹框架常设计成铰接柱脚。由于框架支座弯矩的卸载作用使实腹框架的横梁高度不大，可取跨度的1/30～1/40。在我国得到大力发展的轻型门式刚架结构，是实腹式框架结构体系的一种，其特点是屋盖及墙体均采用压型钢板，结构主要承受自身的重量。轻型门式刚架结构设计门式刚架是一种有效利用材料的结构形式。由于构件尺寸小，房屋高度相应降低，减轻了建筑体积和重量。构件可以在工厂批量生产，工地安装用高强螺栓连接，简便而迅速，施工期短。同时，门武刚架造型简洁美观，在房屋建筑中可适用于覆盖大面积的单跨、多跨等厂房、仓库和各类公共建筑。1建筑特点（1）轻型化，屋盖及墙体均为压型钢板，以减轻建筑自重；（2）吊车吨位：A1~A5工作级别的桥式吊车20t；悬挂式起重机3t。（3）常用跨度：1830m，高度4.5~9m。规程规定跨度可作到36m。2结构特点（1）主体结构采用门式刚架，刚架可以是单跨、双跨或多跨，还可带附跨。把中柱做成摇摆柱体现了材料集中使用的原则。（2）采用变化构件截面的手段以适应弯矩变化是门式刚架轻型化的技术措施之一。柱脚常用铰接，（当有桥式吊车时用等截面、柱脚固定）。（3）刚架间距一般6m左右，亦可采用7.5~9m，间距太大将增加檩条的用钢量。温度区段长度：纵向300m；横向150m。当不超过以上数值时，一般情况下可不考虑温度应力和温度变形的影响。柱间支撑的纵向水平刚度较单独柱大得多（约10～20倍），故厂房纵向温度变形的不动点接近于柱间支撑的中点（有两道柱间支撑时，为两支撑距离的中点）。新规范增加：“当有计算依据时，温度区段长度可适当加大”，是考虑到影响温度区段长度限值的因素较多，在规范中无法逐一反映，让设计人员根据具体情况考虑增减。当温度区段长度超过规范规定的数值时，应进行温度应力的计算或设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的两种做法：a.在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔；b.设置双柱。此外，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。（4）刚架斜梁的坡度取决于屋面排水坡度，一般i=1/8~1/20。减小构件腹板厚度，一般腹板壁厚在4~10mm，（4mm是规程规定的下限），主要利用腹板截面的屈曲后强度。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002推荐采用Q235、Q345钢材。（5）檩条采用冷弯薄壁型钢，截面一般为C型钢或Z型钢（坡度较大时，可以做到主轴与地面平行）。檩条壁厚一般1.5~3.0mm，1.5mm为规范规定的下限。新修定的国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002已取消了壁厚6mm上限的规定，板厚由设计者自行掌握（未试验），我国目前已能生产12.5mm厚的冷弯薄壁型钢。（6）支撑体系：必须设屋盖支撑系统和柱间支撑系统。屋盖支撑布置在温度区段的两端或端部第二开间（此时第一开间设刚性系杆）。柱间支撑设在与屋盖支撑相同的柱间，无吊车时，间距一般30~45m，不大于60m。有吊车时柱间支撑宜设在温度区段中部。支撑一般为十字交叉，截面采用张紧的圆钢或小角钢。3荷载计算的特点（1）新修订的《建筑结构荷载规范》将不上人的屋面均布活荷载标准值统一规定为0.5kN/m2（原规范分0.3、0.5、0.7kN/m2三级）。对不上人的屋面均布活荷载，较早的荷载规范取0.3kN/m2，后发现对重屋面偏低，74规范改为0.5kN/m2。采用概率极限状态设计法后发现对以恒载为主的结构（混凝土结构）可靠度下降，故又提高到0.7kN/m2。新修订的荷载规范增加了以恒载为主的不利组合式，屋面活荷载中主要考虑的仅是施工荷载即偶然因素的不利影响，故又恢复到0.5kN/m2。但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。新修订的《钢结构设计规范》规定“对支承轻屋面的构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过60m2时，取0.3kN/m2”。这与原《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定有所不同，应注意檩条的计算。（2）《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002对风荷载作用下的体型系数有特殊规定。对刚架、檩条、屋面板、墙梁等均有专门的规定。特别应注意房屋端区的风荷载体型系数不同于中间区。4檩条的设计特点（1）檩条为薄壁构件，在受力状态其组成板件可能丧失局部稳定而产生屈曲，但屈曲后仍能承载（利用薄膜效应，即张力场）。设计中利用其屈曲后强度，一般采用有效截面的方法进行强度计算。（2）檩条的整体稳定计算分为两种情况：a.风压力作用下，一般压型钢板（条件是有足够的抗剪件）和受压区设置的檩间拉条能起侧向约束作用。b.在风吸力作用下，下翼缘受压（连续设置的檩条在风压力作用下也有类似情况），受力状态类似弹性地基梁，有研究认为可按弹性地基梁的压杆计算，受拉翼缘对其的约束作用视为弹性地基梁的作用，截面扭转和侧向弯曲效应等效转化为作用于下翼缘的侧向荷载，以简化计算。也可采用构造要求，如设置隅撑。檩条的构造处理——加隅撑*5构件设计的特点（1）斜梁轴力较大，一般按压弯构件设计，须满足强度、整体稳定、局部稳定的要求。工字形截面的腹板也可按考虑屈曲后强度进行设计，但最大高厚比不宜大于250。工字形截面构件腹板考虑屈曲后强度的设计特点：（a）条款不适用于吊车梁，因有关资料不充分，多次反复屈曲可能导致腹板边缘出现疲劳裂纹。（b）腹板受剪屈曲后的强度计算利用了张力场概念，使极限剪力大于屈曲剪力。精确确定张力场剪力值需要算出张力场宽度，比较复杂，为简化计算采用了相当于下限的近似公式。（c）利用腹板屈曲后强度，即使hw/tw很大，只要腹板的抗剪承载力不低于构件的实际最大剪力，一般不再考虑设置加劲肋。（d）利用腹板屈曲后强度后，构件的抗弯及抗压承载力有所降低，此时应按有效宽度计算截面特性，受压区的有效宽度取:当截面全部受压时：he=hw当截面部分受拉时：he=hc有效宽度系数，与板件局部稳定的临界应力有