大跨度钢结构

1大跨度钢结构Large-spanSteelStructure2参考文献：《大跨度房屋钢结构》哈尔滨建筑工程学院编，中国建筑工业出版社，1985.11《平板网架设计》刘锡良等编著，中国建筑工业出版社，1979.7《空间结构》浙江大学建筑工程学院等编著，中国计划出版社，2003.12《网架结构设计与技术规程》JGJ7-91中国建筑工业出版社，1991《网壳结构技术规程》JGJ61-2003中国建筑工业出版社，20033主要内容概述平面结构网架结构悬索结构4第一章大跨度房屋钢结构简介1.1：大跨度钢结构的应用及其主要特点1.2：大跨度房屋钢结构的类型一：平面结构梁式结构框架结构拱式结构二：空间结构网架和网壳结构悬索结构51.1：大跨度钢结构的应用及其主要特点应用公共建筑(剧院，展览馆，体育场馆，车站等)专门用途的建筑(飞机库，汽车库等)生产性建筑(飞机制造厂装配车间，造船厂等)主要特点跨度大290m340m(国家体育场，刚架结构，2008)主跨1385m(江阴长江大桥，悬索结构，1999)个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化)61.2：大跨度房屋钢结构的类型平面结构由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成纵向构件层层重复传递荷载，并不分担荷载梁式，框架式和拱式结构空间结构加强连接平面结构的纵向构件以形成一个整体结构，共同承载克服荷载层层重复传递，经济性好，整体刚度大，抗震性能好主要包括悬索结构，网架和网壳结构等空间作用(diaphragm，蒙皮效应)7第二章平面结构2.1：梁式结构的特点和应用2.2：框架结构的特点和应用2.3：拱式结构的特点和应用82.1梁式结构的特点和应用特点不产生水平推力(可支承于墙壁，砖石或混凝土柱上)制造和安装较简单应用可用于40m～60m左右的工业和民用建筑物中结构布置4050m屋架檩条68m简单式屋架主檩条檩条5070m812m复杂式92.1梁式结构的特点和应用(续)结构型式跨度较小时，可采用实腹式梁(常用工字形截面)跨度在5070m及更大时，采用桁架形式桁架外形及腹杆体系取决于跨度，屋面形式和吊顶结构桁架高跨比一般为1/81/6(注：跨度大于50m时，运输超限)常用梯形桁架；屋面坡度大时，宜用平行弦；吊顶可作弧线形(设拉杆)102.2框架结构的特点和应用特点与梁式相比，框架结构可降低建筑物高度结构上比梁式结构经济结构布置横向框架布置(跨度大于60m时，应增大框架间距，常导致复杂布置)纵向框架布置(跨度较小时，特别有利，可向外悬伸，用于机库等)结构型式跨度在5060m时，常用双铰实腹式框架(常用工字形截面)减轻基础负担；结构可外露；横梁高度可取跨度的1/201/12设置预应力拉杆减少跨中弯矩，横梁高度可取跨度的1/401/30112.2框架结构的特点和应用(续)跨度较大时，常用双铰格构式框架跨度超过100m时，宜采用无铰格构式框架122.2框架结构的特点和应用(续)格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/201/12范围选取格构式框架立柱的宽宜取其横梁的节间长度(卸载效应)折线弓形框架接近于拱形结构的力学性能常用于高度相对较大(跨度约4050m，高度约1520m)的建筑物横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/251/15范围选取应用主要应用于工业建筑物中132.3拱式结构的特点和应用特点拱式屋盖受力合理比梁式和框架式屋盖结构经济指标好(跨度超过80m时尤为显著)结构布置跨度为4060m时，拱间距可取610m，无檩或型钢檩条142.3拱式结构的特点和应用(续)跨度达100m左右时，宜采用相距36m的拱对，拱对间距为915m152.3拱式结构的特点和应用(续)侧窗难以开启，且易积灰；檩条下移，构成横向天窗162.3拱式结构的特点和应用(续)结构型式双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低)无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高)三铰拱(应用不广，拱顶铰使结构复杂化)亦分为实腹式和格构式宜设计成等截面实腹式截面高度可取跨度的1/801/50格构式截面高度可取跨度的1/601/30水平推力拉杆设置支座设计框架结构172.3拱式结构的特点和应用(续)拱脚构造处理构造不便空间利用应用民用公共建筑物中18第三章网架结构3.1：网架结构的特点和应用3.2：网架结构的形式和种类3.3：网架结构形式的选择3.4:网架结构主要尺寸的确定3.5:网架的内力分析方法3.6:网架在地震、温度及安装荷载作用下的计算原则3.7：网架的杆件选择和节点构造3.8：网架的制作、安装和检验19特点•空间结构体系，高次超静定•能承受来自各个方向的荷载•整体性好，空间刚度大，体系稳定•抗震性能好•可利用小规格的杆件建成大跨度的结构•自重较轻，节约材料•杆件规格划一，适于工业化生产•适应性好应用广泛应用于公共建筑及工业厂房中3.1网架结构的特点和应用203.2平板网架的形式和种类网架类别(以网架构成方式分类)１．交叉平面桁架体系（两组桁架交叉梁系、三组桁架交叉梁系）２．交叉空间桁架体系（四角锥体、三角锥体、六角锥体）两向正交正放网架表示法213.2网架类别(续)两向正交斜放两向斜交斜放两向正交斜放短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利角部产生拔力，常取无角部形式两向斜交斜放适用于两个方向网格尺寸不同的情形受力性能欠佳，节点构造较复杂223.2网架类别(续)三向网架三个方向的平面桁架相互交角60比两向网架刚度大，适合大跨度常用于正三角形，正六角形平面在某些平面形状会出现不规则杆件正放四角锥网架正放抽空四角锥网架233.2网架类别(续)斜放四角锥网架棋盘形四角锥网架星形四角锥网架斜放四角锥网架受力合理，杆件数量少屋面板类型多屋面组织排水较困难棋盘形四角锥网架保持正放四角锥网架周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放。克服了斜放四角锥网架屋面板类型多，屋面组织排水较困难的缺点。三角锥网架243.2网架类别(续)抽空三角锥网架蜂窝形三角锥网架三(多)层网架减少弦杆内力(25%60%)，减小网格尺寸，大跨经济性好；杆件数量多三层网架示意图253.3平板网架形式的选择选择网架型式考虑的因素：建筑物的平面形状和尺寸、支承情况、荷载大小、屋面构造、建筑要求、制造和安装的方法及材料供应情况等•从平面形状和大小来看，当周边简支时：平面为方形或接近方形，且为中小跨度时，宜采用两向正交斜放交叉梁系网架，或正放和斜放四角锥网架。平面为矩形时，宜采用两向正交斜放交叉梁系网架，或斜放四角锥网架。平面为圆形、八角形、六角形、扇形，且平面尺寸较大时，可选用三向交叉梁系网架，或三角锥网架。•从屋面构造来看：正放网架的屋面板规格常一种，而斜放网架却有两三种。倒锥体网架的上弦网格较小，因而屋面板规格也较小263.3平板网架形式的选择（续）而正锥体网架却相反。•从支承条件来看：当采用四点支承或四点支承的连续网架时，宜采用两向正交正放交叉梁系网架或正放四角锥网架。•从跨度和荷载来看：跨度和荷载皆较小时，锥体网架可采用部分抽空的办法进一步节约钢材。•从制造和施工的角度来看：交叉平面桁架体系要比空间桁架体系简便些。•从杆件截面和节点构造的合理性来看：最宜采用钢管杆件和球节点，但价格较高且材料供应常有困难。不如角钢杆件和钢板节点方便而便宜。273.4网架主要尺寸的确定网架几何尺寸钢筋混凝土屋面体系钢檩条屋面体系网架形式网格数跨高比网格数跨高比两向正交正放，正放四角锥正放抽空四角锥(24)+0.2L2两向正交斜放，棋盘形四角锥斜放四角锥，星形四角锥(68)+0.08L21014(68)+0.07L2(1317)+0.03L2注：L2是以米计的网架短向跨度；跨度小于18米时网格数可适当减少。28网架主要尺寸的确定(续)网架起拱和屋面排水网架起拱一般情况下，网架刚度较大，不需要起拱。只有当跨度大于60m时，才采用L2/300的起拱度。屋面排水坡度网架起拱适于双坡排水；抗震性好；起拱高度过大，内力分析应计及•支承柱变高度网架变高度可降低弦杆内力，使其趋于均匀；抗震性好；杆件种类增多上弦节点设置小立柱(常用)可构造双坡，四坡或其它复杂的多坡排水屋面；跨度大时要作稳定和抗震计算293.5网架的内力分析平板网架的内力分析方法很多，最常采用的有下列几种：矩阵位移法：把网架离散为各个杆件，建立单杆的杆端力和杆端位移的关系方程，然后根据力的平衡条件，建立起各个节点的平衡方程，以节点位移为未知数，解出位移后再确定全部内力。这是目前网架内力分析中比较精确的方法，有电算的通用程序可以使用，它适用于各种平面形状和支承条件的网架交叉梁系差分法：把空间网架简化为交叉梁系，只考虑体系的垂直位移，同时假设上下弦节点的垂直位移相等。按照交叉梁系理论列出挠曲平衡微分方程，解出挠度，然后进行弯矩和剪力的计算。为了避免求解微分方程之繁，常采用差分法求解。30网架的内力分析（续）拟夹层板法：把网架连续化为由三层不同材料组成的夹层板，考虑网架剪切变形的影响，以一个挠度和两个转角共三个广义位移为未知量，采用弹性平板弯曲理论建立基本微分方程。然后用差分法或级数法解出挠度、弯矩和剪力。再根据弯矩和剪力确定网架内力。本法适用于两向正交正放，正放四角锥及正放抽空四角锥网架。我国《网架结构设计与施工规程》JGJ17-91中列有表格可直接查取拟板的内力和位移系数，再按相应公式求得杆件内力和挠度。假想弯矩法：假定网架下弦节点又一个假想弯矩能满足平衡要求，根据静力平衡条件导出弯矩方程，然后逐个节点写出以假想弯矩为未知数的多元一次联立方程。解出假想弯矩后，即可求得网架杆件的内力。此方法适用于斜放四角锥和抽空四角锥网架。313.6网架在地震，温度及安装荷载作用下的计算原则一：地震作用网架结构属于高次超静定结构，具有良好的抗震性能。其抗震计算可按下列规定进行。1：竖向地震作用在抗震设防烈度为6度或7度的地区，网架屋盖结构可不进行竖向抗震验算；在抗震设防烈度为8度或9度的地区，网架屋盖结构应进行竖向抗震验算。竖向地震作用标准值按下式确定:FEvKi=±ψvGi2：水平地震作用在抗震设计烈度为7度的地区，可不进行水平方向的抗震验算；在抗震设计烈度为8度的地区，对于周边支承323.6网架在地震，温度及安装荷载作用下的计算原则的中小跨度网架可不进行水平抗震验算；在抗震设计烈度为9度的地区，对各种网架结构及其下部支承结构均应进行水平抗震验算。水平地震作用下的网架内力、位移可采用空间桁架位移法计算网架的支承结构应按有关规范的相应规定进行抗震计算。33网架在地震，温度及安装荷载作用下的计算原则(续)二：温度应力网架结构施工完毕时的气温和网架使用阶段最高或最低环境温度的差别，将引起网架杆件的温度伸长或缩短，如果这些温度变形受到阻碍，将产生温度应力。一般温差变化常按±300C计算。温度变化引起的网架内力，可采用矩阵位移法或其他近似方法计算。网架结构符合下列条件之一时，可不考虑温度应力：（1）.支座节点的构造允许网架侧移时,其侧移值应大于或等于“网架规程”所给表达式的计算值；（2）.当周边支承的网架，且网架验算方向跨度小于40米时。支承结构应为独立柱或砖壁柱。（3）.在单位力作用下，柱顶位移大于或等于“网架规程”所给表达式的计算值。34网架在地震，温度及安装荷载作用下的计算原则(续)三：安装荷载网架在整体吊装时，随着吊点位置的不同，杆件内力和设计内力不同，对某些杆件可能产生不利影响。因此，必须进行安装荷载验算，并合理地选定吊点。进行安装荷载验算时，应采用安装荷载动力系数来考虑起吊过程中起吊加速度的动力效应。当采用提升法或顶升法施工时，动力系数取1.1；当采用把杆吊装时，取1.2；当采用履带式或轮胎式起重机时，取1.3。353.7网架杆件选择和节点构造一：杆件选择1：材料：Q235，Q345，Q390，Q420等2：截面型式：圆钢管，方钢管，角钢及组合