大跨房屋钢结构复习资料

平面结构：梁式体系（轴心受力） 、框架式、拱式（水平推力是与梁的区别；合理拱轴线只 有轴向压力，三铰拱竖向均布-抛物线，自重悬链线，集中荷载悬链线/抛物线） 水平推力的构造处理：拉杆承担、刚性水平结构传递给纵拉杆、竖向承重结构承担、作用 在基础上（斜坡状） 框架横梁温度高变形大；同一截面面积，柱越高，抗侧能力下降，约束梁的能力下降，挠 度（可变荷载） 超静定次数越多弯矩分别越均匀，对温度沉降更敏感 空间结构：实体（薄壳、折板）网格（网架及网壳）张力（悬索、膜结构）混合结构类 （张弦梁） 平面与空间区别：各个受力结构之间是否存在力的传递。 平面结构(撤一个立即破坏)：1（纵向构件连接）传力特点有层次，从次要向主要传 2 承载 能力靠截面尺寸和材料强度 3 结构或构件抗力取决于单个构件截面尺寸和材料强度 空间结构（撤一个不会立即破坏）：1、传力特点没有明显的层次，更多依赖整体。2、承 载能力靠结构形式。 张弦梁刚性上弦柔性下弦，中间连以撑杆，下弦拉索中施加预应力使上弦产生反挠度 优点：1 在下弦拉索中施加预应力使上弦刚性构件产生反挠度从而使结构在荷载作用下的 最终挠度得以减少 2 减缓上部刚性构件压应力的发展，减缓失稳。 （预压力抵消外部荷载产 生的拉应力）3 拉力抵消预拱的水平推力，减小支座的受力 4 撑杆对上弦构件的弹性支撑， 改善结构受力 门式钢架构成：刚架斜梁、刚架柱、支撑、檩条、系杆、山墙骨架（横梁与柱刚接，柱脚 多铰接，分单跨多跨双坡） 支撑铰接）：空间整体刚度提高，稳定性好，传递荷载 侧向支撑（交叉杆-拉杆，水平杆压杆）减小计算长度，整体刚度提高，承受风地震吊车荷 载等 屋面横向水平支撑-框架梁上翼缘平面交叉杆-拉，竖杆-压 隅撑：框架梁下翼缘收压杆支撑（轴心受压） 柱间支撑：一或两间（刚性） 荷载 竖向：自重，活荷载、雪荷载； 水平：吊车（纵向横向）制动力、风、地震 截面设计：强度计算（加劲肋）稳定性（平面内外） ，上翼缘荷载无加劲肋。抗剪验算：斜 梁平面内强度-压弯，平面外稳定-压弯，折算应力 节点设计：斜梁与柱-端板（竖斜平）最大内力设计，主钢架高强螺栓连接 柱脚铰接锚栓不受拉力，刚接承受弯矩，锚栓抗拔拉验算 节点刚接-单层：圆柱面（刚度差、弯曲内力大）球面（节点构造简单） 、椭圆抛面、双曲 抛物面 双层节点铰接 大跨（矢高较大球面成柱面）小跨（矢高小双曲扁壳或落地式双曲抛物 面 柱面网壳水平推力：水平拉杆、结构落地增加下部柱刚度，利用下部结构吸收推力，计算 方法：单层网壳-空间杆系；多层-空间梁系（6 个自由度） 网架结构：按结构组成分：双层、三层、组合；按支承情况：周边支承、点支承、周边支 承与点支承相结合的网架 按网格形式：1 交叉平面桁架体系（两向正交正放网架：周边支承正方形受力均匀，边长 比变大，单向传力，适用于正方形或接近正方形且跨度较小；两向正交斜放：适用于建筑 平面正方形或长方形，周边支撑是比正交正放空间刚度大，用钢省；两向斜交斜放：构造 复杂受力性能不好；三向：适用于大跨度且建筑平面为三角形六边形多边形和圆形，空间 刚度大，节点构造复杂）2 四角锥体系（正放四角锥：受力均匀，空间刚度比其他类型的 四角锥及两向好，屋面板规格单一，便于起拱排水；正放抽空四角锥：适用于屋面荷载较 轻的中小跨度网架。用钢量省，比正放内力均匀性、刚度有所下降；斜放四角锥：适用于 中小跨度周边支承或周边支承与点支承相结合的方形和矩形平面。节点处杆件少，用钢量 省，排水困难，上弦压下弦拉；星形四角锥：适用于中小跨度周边支承的网架，上弦短于 下弦，刚度稍差于正放四角锥；棋盘形四角锥：适用于小跨度周边支承，短压杆长拉杆， 受力合理，杆件少屋面板规格单一，用钢指标良好）3 三角锥体系（三角锥网架：适用于 三角形六边形圆形建筑平面。受力均匀，整体抗扭抗弯刚度好，节点构造复杂；抽空三角 锥：适用荷载小、跨度小的三角形六边形圆形平面，用钢量省，空间刚度比三角锥小；蜂 窝形三角锥：适用于中小跨度周边支承，用于六边形圆形或矩形平面，上短下长，杆件和 节点少，屋面板布置屋面找坡困难)单向折线形（适用狭长矩形平面） 网架选型因素：建筑的平面形状和尺寸，网架的支承方式，荷载大小，屋面构造，建筑构 造与要求，制作安装方法及材料供应情况（钢管杆件、球节点） （1）正方形：斜放四角锥（跨度荷载大时三向交叉梁系） （2）矩形周边支承长/宽1.5-斜 放四角锥、棋盘形四角锥、正放抽空四角锥、两向正交斜放/正放；长/宽1.5-两向正交正 放、正放（抽空）四角锥；长/宽2-斜放四角锥（3）圆、正六边形-三向网架、 （抽空）三 角锥网架（4）屋面板不单一-斜放四角锥、蜂窝形、三角锥 网架高度：网架高度大，弦杆受力小、用钢量少，腹杆长用钢量增加 因素：建筑要求刚度 要求、网架平面形状（圆正方形高度小，狭长高度大）支承条件（周边小点大）节点构造 （焊接高度小螺栓大） 网架屋面：有檩体系-屋面板刚度小；无檩体系-屋面施工安装快，零配件少，重量大 网架起拱作用：为了消除网架在使用阶段的挠度影响，称为施工起拱；排水 网架起拱的方法：按线型分有折线型起拱和弧线型起拱两种。按方向分有单向和双向起拱 两种 屋面坡度做法 1 上弦节点上加小立柱找坡：小立柱高考虑自身稳定性，构造简单 2 网架变 高度：跨度大时造成受压腹杆太长 3 支撑柱变高：点支撑 4 整个网架起拱：大跨度，设计 制造安装复杂 空间桁架位移法假定：每个节点 3 个自由度，杆件只受轴力 空间杆系有限元计算步骤 1、计算简图，节点杆件编号 2、计算杆件单元长度和杆件与整体 坐标轴夹角余弦 3、初选截面积 4、建立单元刚度矩阵 5、集合总刚度矩阵 6 建立荷载列阵 7、引入边界条件处理刚度矩阵 8、求解求出位移 9、根据位移算杆内力 10、若不满足，根 据内力调整截面重新计算 对称性利用：过节点（反对称位移为 0，加约束） ；不过节点，弦杆 x，y，z 均约束，交叉 腹杆在 x，y 约束 边界条件的处理方法（原因：结构总刚度矩阵为奇异的，需引入边界条件以消除刚体位移， 使总刚度矩阵为正定矩阵。 支座某方向固定的处理 1.1（可得到支座反力方程，但元素地址改变）支座反力 R，R 为未 知数，而与之对应的位移为 0，可在建立总刚度方程时，将已知外荷载的方程放在前，未 知放在后 1.2 划行划列法，将位移为 0 的行列划去 1.3 对角线充大数法，对位移为 0 相对 应的主对角线元素充大数 1.4 将相应于 0 位移分量的那些行的主对角线元素改为 1，其余元 素连同右端项中的相应元素都改为 0.前两种使总刚度矩阵阶数减少，后两种阶数与元素地 址均不变，有利于编程（2）支座某方向弹性约束的处理：总刚度矩阵中对应于该弹性约束 方向的主对角元素叠加上等效弹簧刚度系数 K（3）某方向给定位移的处理：3.1 消行修正 法：总刚度方程中，相应于非定位移分量的那些行、列的非对角线元素改为 0，对角线元 素改为 1，同时把总刚度方程的右端各分量减去对应的已知值 3.2 对角线项充大数法（同上） 斜边界条件的处理 4.1 在边界点沿着斜边界方向设置一个具有一定截面的杆件 4.2 将斜边 界点出的节点位移向量作一变换，使在整体坐标下的该节点位移向量变换到到任意斜方向， 然后按一般边界条件处理 不考虑温度作用：支座节点的构造允许网架侧移，侧移值公式计算值；周边支承网架验 算方向跨度40m 支撑结构为独立柱或砖壁柱；在单位力作用下柱顶位移值公式计算值 不考虑地震作用：6/7 不进行竖向抗震验算；8/9 度应进行竖向验算，7 度、8 度周边支承 的中小跨度不进行水平，9 度均应进行水平验算 重力荷载代表值建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值 之和，其中恒载 100%，雪荷载及屋面积灰荷载取 50%，不考虑屋面活荷载 抗震分析考虑支撑结构对网壳的实际约束刚度 稳定性计算不可取对称结构。方法时程分 析法（多遇地震弹性，罕遇地震弹塑性） 、振型分解反应谱法 钢杆件截面型式：圆钢管、角钢（小跨度小荷载）薄壁型钢 薄壁圆钢管相对回转半径大 截面特性无方向性，对受压受扭有力，比其他型钢截面节约用钢量（有条件优先采用）交 叉平面桁架体系-角钢/圆钢管杆件；空间桁架（四角锥三角锥）选用圆钢管杆件；钢板节 点-角钢，焊接球节点螺栓球节点-圆钢管。 杆件截面（轴压、压弯）强度稳定性刚度验 算 网架节点【1】螺栓球节点构造：钢球、高强度螺栓、紧固螺钉（销子） 、套筒、锥头（封 板）适用：（优）圆钢管构件，适用于任何形式的网架，特别适用于四角锥或三角锥体系 的网架。特点：节点小，重量轻。安装方便，质量保障（缺）加工复杂，零部件多、贵， 不统一。受力特点：拧紧螺栓相当于对节点施加预应力，螺栓受拉，套筒受压，杆件不受 力，受载后，拉杆内力通过螺栓传递，破坏时拉杆力全由螺栓承受，压力由套筒传递破坏 时杆件压力全由套筒承受。 【2】焊接空心球节点构造：两块圆钢板，热压冷压成两个半球后对焊。受力特点：传力明 确，构造简单造型美观，连接方便适应性强，用钢量大，焊接质量要求高 加环形加劲肋：于圆钢管杆件内力较大平面内，较大内力弦杆的轴线平面内。适用：连接 圆钢管，节点汇交杆件较多时，优点突出，用于各种网架。 网架支座：【1】压力支座：1 平板压力支座-支座不可转动，底板下压应力分布不均匀， 与铰接假设差距大（小跨度） 2 单面弧形（周边支承中小跨度）微量转动，移动，压力分布也较均匀，改善温度，挠度 影响支座 3 双面弧形：自由伸缩自由转动，适于跨度大，支承网架柱子或墙体的刚度较大， 周边支承约束较强，温度应力影响也较显著的大型网架 4 球铰压力支座节点：在任何方向 自由转动而不产生弯矩及线位移（四点支承或多点支承大跨度网架） 【2】拉力支座：1 平板拉力-锚栓受拉（较小跨度）2 单面弧形拉力：中小跨 【3】板式橡胶支座节点（沿切向法向位移，还可绕两向转动，大中跨）节点构造：与温度 有关，橡胶垫板中间加劲薄钢板符合规定，承压（尺寸） 垫板厚度：网架水平位移通过橡胶无剪切变位 压缩变形：支座节点转动通过橡胶垫板 不均匀压缩变形实现 抗滑移验算：水平力与摩擦力平衡 网架制作安装 节点，杆件制作：焊接钢板节点，焊接空心球节点，螺栓球-球坯-正火-精加工，杆件。拼 装：分条拼装，分块拼装，整体拼装 原则：1.小拼单元本身为几何不变体 2.减少焊接变形和焊接应力。拼装焊接顺序从中间向 两边或四周，中间向两边，两端可自由收缩。拼装先焊下弦，因收缩上拱，然后焊腹杆及 上弦杆 拼下弦 网架安装方法：1.高空散装法（全支架，悬挑法）不需大型起重设备，在高空一次拼装完 毕，现场高空作业量大，需大规模拼装支架，耗材 2 分块安装法(大部分的焊接拼装工作在 地面进行，保证质量，省去大部分拼装支架充分利用起重设备，经济。适用于分割后刚度 和受力情况改变小的网架）3 高空滑移法（平行立体作业，缩短工期，对起重设备牵引设 备要求不高，适用场地狭小跨越其他结构或设备/需立体交叉施工）4 移动支架安装（脚手 架用量少，不需要大型起重设备，施工费用低，只用施工作业面少，适用支承点平行）5 整体吊装法：（易于保证焊接质量和几何尺寸的准确性，需较大的起重设备能力，适用于 各类型网架）6 整体提升法在地面/最有利的高度施工，成本低，只能在设计坐标垂直上升 不能移动或转动，适用于周边支承及多点支承 7 整体顶升法：顶升设备在网架下面，适用 于支点较少的多点支承网架，同提升） 单层网壳的网格形式 【1】圆柱面单层网壳：三向网格型柱面网壳较好，多应用于跨度较大和不对称荷载较大的 屋盖中。总体，比其他结构刚度差，节点必刚接，设横向肋。 【2】球面单层网壳（1）肋环型：每个节点仅有四根杆件交汇，构造简单，适用于中小跨 度（2）肋环斜杆型：承受不对称荷载的能力较强。位移小，矢跨比增大，竖向位移减小， 结构边缘位移变化大。 （3）三向网格型：中小跨度网架（4）扇形三向网格：杆件类型少受 力较均匀，适用于大中跨度（5）葵花形网格：联方型球面网壳，人字斜杆组成菱形网格， 刚度稳定性好，杆件夹角大。大中跨度（6）短程线：一个球面分 20 个等边球面三角形， 杆件会有过大长细比【3】椭圆抛物面单层网壳：三向或单向斜杆正交正放网格【4】双曲 抛物面单层网壳：直纹曲面，按直纹两个方向直线杆件，第三方向设置斜杆，三向网格。 或沿主曲率方向布置杆件。 网壳失稳模态：杆件失稳、点失稳、条状失稳、整体失稳（薄膜盈利状态转化为弯曲应力 状态，从局部开始） 因素：网壳结构的非线性效应（几何非线性、材料非线性、状态/接触非线性） ，初始缺陷 （几何偏差、荷载作用位置、 支座位置偏差） ，结构形状曲面形状，结构刚度，节点刚度，荷载类型，支撑条件 1、几何非线性：结构在荷载作用下的位移变化非线性，力位移关系不再是直线，会产生 P-效应，产生附加弯矩，随着荷载增大，结构产生大变形大挠度，结构的刚度减小，稳 定性减小。2、材料非线性：随着荷载的增大，应力应变关系不再是直线，材料的进入弹 塑性阶段，刚度减弱，稳定性减小。3、接触非线性：由刚接变为铰接，约束减弱，刚度变 差，稳定性减弱 4、初始缺陷：存在初始缺陷的构件，在荷载的作用下，易存在附加弯矩， 如翼缘的初始的鼓曲扭转等，在荷载作用下都极易诱发失稳 5、曲面形状：双曲面的刚度 优于单曲面，负高斯曲率的双曲抛物线更好，整体刚度大。6、结构刚度：结构刚度大，越 不易失稳。7、节点刚度：对杆件的约束越强，杆件的抗变形能力增大，稳定性好 8、荷载 类型：对于非对称荷载，容易造成杆件的偏心受力，产生附加弯矩，稳定性差 9 支撑条件： 支撑条件约好，约束能力越强，稳定性越好。 失稳计算方法：基于连续化假定的等代薄壳模型（拟壳法） 、网壳结构稳定性近似计算、特 征值屈曲分析方法（线弹性有限单元法） 非线性有限单元法（精度高，不考虑初始缺陷，把求得结果带入，作为初始缺陷，安全系 数，非对称荷载） 缺陷分析：(特征值屈曲分析（线弹性）( 引入特征值屈曲状态=Asin（x/l)带 缺陷结构非线性分析 地震作用下内力计算：对 7 级抗震设防区可不进行网壳结构竖向抗震计算，8、9 级必须进 行水平和竖向抗震计算 网壳支座【1】固定铰支座：可转动，无位移，仅传递轴向力及剪力 1 球铰支座：固定铰， 大跨度或点支承 2 弧形铰支座：节点可沿边界法向自由转动基本不产生位移，适用小跨度， 底板倾斜，垂直于支座反力方向，以减少支座转动引起附加弯矩 3 双向弧形：适用大跨度落地，可使支座节点不产生任何线位移有效传递支座水平反力 【2】弹性支座用于对水平推力有限制/需释放温度应力（加橡胶垫板） 【3】刚性支座：传 递轴向力弯矩剪力扭矩，注意下部支承结构也应具有较大刚度，位移和转动都控制 【4】滚轴支座：边界在水平方向不受约束支座无水平推力（扁平曲面网壳） 网壳设计规范:1.提高单层网壳杆件的截面惯性矩，抗跳跃失稳 2.边界条件在设计中重要杆 件：管材，计算长度控制长细比 螺栓球节点（仅适用于双层网壳） ，受压杆件的螺栓起连接作用，轴向压力通过套筒传递 抗拉设计，钢球直径 考虑条件：网架类型，受力性质，杆件截面形状制作工艺安装方法，螺栓球节点，适于圆 钢管杆件。特点：节点小，重量轻，方便安装，可拆卸，安装质量易得保证，但零部件多， 加工精度高，价格贵，工序复杂，受力特点：拧紧螺栓相当于对节点施加预应力，螺栓受 拉，套筒受压，杆件不受力，受载后，拉杆内力通过螺栓传递，破坏时拉杆力全由螺栓承 受，压力由套筒传递破坏时杆件压力全由套筒承受。 设计：球直径：螺栓直径，进入球体长度及相领杆件轴线夹角 螺栓：抗拉计算，受压杆应力由套筒传递，螺栓仅为连接作用 套筒：抗压抗剪紧固螺钉受剪 焊接空心球：受力特点：传力明确，构造简单造型美观，连接方便适应性强，用钢量大， 焊接质量要求高 加环形加劲肋：于圆钢管杆件内力较大平面内 焊接一般与圆钢管件等强（二级焊缝） 钢板：特点：刚度大，造价低，构造简单，不需大量机械加工，现场工作量大 十字型节点板：角钢杆件两向正交交叉网架 管筒米字型节点：中小跨度角钢作杆件的四角锥 设计要素：1.杆件重心在节点处交于一点，否则考虑偏心 2.杆件与节点连接焊缝的分布应 使焊缝截面的重心与杆件重心 网壳施工：1.悬臂施工法（工艺简单，高空操作危险性大，安装次应力产生）2.逆作法：质 量检验方便，安装应力小，效率高，施工快，高空作业少，施工安全 3.pantadome（去掉 一部分环向杆）安装精度高，不需大量脚手架 国家大剧院以空间壳体，钢壳体由顶环梁，钢架构