大跨与空间结构.ppt

内蒙古科技大学 大跨与空间大跨与空间 钢结构钢结构 参考书目：参考书目： 1. 1.空间网架结构，贵州人民出版社；空间网架结构，贵州人民出版社； 2. 2.钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2003GB50017-2003； 3. 3.网架结构设计与施工规程网架结构设计与施工规程JGJ7-91JGJ7-91； 4. 4.大跨度房屋钢结构，中国建筑工业出版社大跨度房屋钢结构，中国建筑工业出版社 ； 5. 5.网壳结构设计，中国建筑工业出版社；网壳结构设计，中国建筑工业出版社； 6. 6.空间结构设计与施工，东南大学出版社；空间结构设计与施工，东南大学出版社； 7. 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS CECS 102102：2002 2002 。 概概 述述 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153m，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：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 网架及网壳结构 悬索结构 膜结构 平面承重的大跨度钢结构平面承重的大跨度钢结构 1 1 梁式结构体系梁式结构体系 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：4060m，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1/61/8。 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。* 上海证卷大厦 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 1）角钢（或）角钢（或T T型钢）桁架型钢）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。 a.受拉节点 试件的破坏特征均为沿最危险的 线段撕裂破坏，即图b中的三折线撕裂， 和 均与节点板边缘线基本垂直。* 钢结构设计规范建议用撕裂面法，沿 BACD撕裂线割取自由体，假定由于板内塑性区的 发展引起应力重分布，破坏时撕裂面各线段上的折 算应力 均匀分布且平行于腹杆轴力*，当各撕裂 段上的折算应力均达到抗拉强度fu时板件破坏。根 据平衡条件并忽略M和V，则第i 段撕裂面的平均正 应力i 和平均剪应力i 为: 折算应力为 即 令第i 段的拉剪折算系数 则 由 写成计算式则为 （b） 第i段撕裂面与拉力作用线的夹角。 公式（b）符合破坏机理，其计算结果与试验值之 比平均为87.5%，略偏安全且离散性小。 公式还适用于下图两种板件的撕裂面的计算。 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betfu=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）。 b.受压节点 在压力作用下，与受压杆件相连的节点板区域除 强度破坏外，还有可能丧失稳定。试验共作了8个受 压斜腹杆的试件，其中有、无竖腹杆的试件各4个。 试验结果有以下特点： 当节点板的自由边长度 lf 与厚度 t 之比 时（一般出现在无竖腹杆的节 点板），*节点板稳定性很差，此时应沿自由边加劲 。加劲后，稳定承载力有较大提高。 在斜腹杆压力作用下，失稳形式一般为在AB BCCD 线附近或前方呈三折线屈折破坏。屈折 线的位置和方向与受拉时的撕裂线类似，而且一般 在 区的前方首先失稳，其它各区相继失稳。* * 节点板的抗压性能取决于c/t 的大小（c为受 压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆 的净距），在一般情况下，c/t 愈大稳定承载力愈 低，对有竖腹杆的节点板，当 时，可不验算节点板的稳定。 对无竖腹杆的节点板，当 时， 节点板的稳定承载力约为强度承载力的80%，故可将 受压腹杆的内力乘以增大系数1.25后再按受拉节点板 的强度计算进行计算，当 时应按规 范附录F进行稳定计算。但当 时，规范规定的计算值将大于试验值，不安全，故 规定 c/t 不能超过 。对自由边加劲的无 竖腹杆节点板，要求与有竖腹杆的相同。 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Nt表。相对来说 它比以往的Nt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-20C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。 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88规范的规定。 轴心受压构件和弯矩使自由边受拉的压弯构件， 对热轧剖分T型钢的局部稳定： 原88规范规定的宽厚比限值： 新规范规定的宽厚比限值： 计算模型为考虑翼缘与腹板完全嵌固，取屈曲 系数为1.28，不近合理，需试验验证。 （2 2）HH型型钢重型桁架钢重型桁架 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 3）钢管桁架（圆管或矩形管）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；哈建 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。 直接焊接的平面圆钢管节点 a) X型节点；b) T型或Y型节点； c）K型节点 直接焊接的空间圆钢管节点 e ) TT型节点；f ) KK型节点 XXXX型管节点：型管节点： XX型管节点的数据量较少，计算结果与试验 结果吻合情况也不甚理想，而这种节点类型目前 在实际应用中较少用到，故在规范内未予列入。 直接焊接的矩形管（含方管）平面管节点 a) T、Y型节点；b) X型节点； c) K、N型节点，有间隙；d） K、N型节点，搭接。 管结构的适用范围： （1）不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的 直接焊接钢管节点，其疲劳问题远较其它型钢杆件 节点受力情况复杂。 （2）为防止钢管发生局部屈曲，限制钢管的径厚 比或宽厚比 ； （或 ） （3）管结构采用的管材不应采用屈服强度fy超过 345N/mm2以及屈强比fy/fu0.8的钢材，且钢管壁厚 不宜大于25mm。因为目前国内外对钢管节点的试 验研究工作仅限于此范围。 管结构节点的失效模式 钢管结构构件的管壁一般很薄，而管径较大，在 节点处直接焊接的钢管节点实际上是由几个圆筒壳交 汇在一起的一个空间薄壳结构。理论上采用有限元方 法或弹性薄壳理论进行分析是可行的，全过程分析需 考虑局部材料进入塑性造成的材料非线形和节点处主 管局部变形造成的几何非线形。但目前主要依赖试验 。圆形和矩形的管节点有7种破坏模式： （1）主管壁因冲切或剪切而破坏； （2）主管壁因受拉屈服或受压局部失稳而破坏； （3）与支管相连的 主管壁因形成塑性铰线 而失效； （4）支管与主管间 连接焊缝的破坏； （5）受压支管管壁 的局部屈曲； （6）受拉支管侧主 管壁的局部屈曲； （7）有间隙的K、N形节点中，主管在间隙处被剪 坏或丧失轴向承载力而破坏。 以上几种失效模式，有时会同时发生。规范针对 不同破坏模式给出了节点承载力的计算公式及构造要 求，这些公式只有少数是理论推出的，大部分是经验 公式。 例如： （1）当由支管与主管间连接焊缝的破坏控制时， 可视支管与主管的连接焊缝为全周角焊缝按正面角 焊缝公式进行计算，但取f1。角焊缝的计算厚度 沿支管周长是变化的，当支管轴心受力时，平均计 算厚度可取0.7hf。 焊缝的长度实际上是支管与主管相交线长度， 主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀，焊缝 的计算长度取为相交线长度，该相交线是一条空间 曲线。规范取为： 当di/d0.65时： lw(3.25di0.025d)(0.466) 当di/d0.65时： lw(3.81di0.389d)(0.466) 式中 d、di分别为主管和支管外径； i支管轴线与主管轴线的夹角。 （2）当由主管壁塑性铰线的失效模式控制时，对X 形节点，受压支管在管节点处的承载力设计值按下式 计算： 式中 n参数；n1-0.3 -0.3( )2；当节点两 侧或一侧主管受拉时，n1。 t主管壁厚； 支管轴线与主管轴线之夹角； f主管钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值； fy主管钢材的屈服强度； 节点两侧主管较小轴心压应力的绝对值。 2 2 框架结构体系框架结构体系 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=1860m） 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1/301/40。 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轻型门式刚架结构设计 门门门门式式刚刚刚刚架是一种有效利用材料的架是一种有效利用材料的结 结结结构形式。构形式。 由于构件尺寸小，房屋高度相由于构件尺寸小，房屋高度相应应应应降低，减降低，减轻轻轻轻了建了建 筑体筑体积积积积和重量。构件可以在工和重量。构件可以在工厂厂批量生批量生产产产产，工地，工地 安装用高安装用高强强螺栓螺栓连连连连接，接，简简简简便而迅速，施工期短。便而迅速，施工期短。 同同时时时时，门门门门式式刚刚刚刚架造型架造型简洁简洁简洁简洁 美美观观，在房屋建筑中，在房屋建筑中可可 适用适用于于覆盖大面覆盖大面积积积积的的单跨、单跨、多跨多跨等等厂房、厂房、仓库仓库仓库仓库 和和 各各类类类类公共建筑。公共建筑。 1 1 建筑特点建筑特点 （1 1）轻型化，屋盖及墙体均为压型钢板，以减轻）轻型化，屋盖及墙体均为压型钢板，以减轻 建筑自重；建筑自重； （2 2）吊车吨位：）吊车吨位： A1A5A1A5工作级别的桥式吊车工作级别的桥式吊车 20t20t； 悬挂式起重机悬挂式起重机 3t3t。 （3 3）常用跨度：常用跨度：18 18 30 30mm，高度高度4.5 9m4.5 9m。规程规程 规定跨度可作到规定跨度可作到3636mm。 2 2 结构特点结构特点 （1）主体结构采用门式刚架，刚架可以是单跨、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。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。把中柱做成摇摆柱体现了材料集中使用的原则。 （2 2）采用变化构件截面的手段以适应弯矩变化是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。门式刚架轻型化的技术措施之一。柱脚常用铰接，柱脚常用铰接， （当有桥式吊车时用等截面、柱脚当有桥式吊车时用等截面、柱脚固定固定）。）。 （3 3）刚架间距一般）刚架间距一般 6 6m m 左右，亦可采用左右，亦可采用7.597.59mm ，间距太大将增加檩条的用钢量间距太大将增加檩条的用钢量。 温度区段长度：温度区段长度： 纵向纵向 300 300mm； 横向横向 150 150mm 。 当不超过以上数值时，一般情况下可不考虑温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。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（约柱间支撑的纵向水平刚度较单独柱大得多（约 10102020倍），故厂房纵向温度变形的不动点接近于倍），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，为两支撑距柱间支撑的中点（有两道柱间支撑时，为两支撑距 离的中点）。离的中点）。 新规范增加：新规范增加：“ “当有计算依据时，温度区段长度当有计算依据时，温度区段长度 可适当加大可适当加大” ”，是考虑到影响温度区段长度限值的因，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。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。温度应力的计算或设置温度伸缩缝。 温度伸缩缝的两种做法：温度伸缩缝的两种做法： a. a. 在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔；在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔； b. b. 设置双柱。设置双柱。 此外，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。此外，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。 （4 4）刚架斜梁的坡度取决于屋面排水坡度，一刚架斜梁的坡度取决于屋面排水坡度，一 般般i i=1/81/20=1/81/20。 减小构件腹板厚度，一般腹板减小构件腹板厚度，一般腹板壁厚在壁厚在4 4 1010mmmm ，（，（4mm4mm是规程规定的下限），主要利用腹板截面是规程规定的下限），主要利用腹板截面 的屈曲后强度。的屈曲后强度。 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS CECS 102102：2002 2002 推荐采用推荐采用Q235Q235、Q345Q345钢材。钢材。 （5 5）檩条采用冷弯薄壁型钢，截面一般为）檩条采用冷弯薄壁型钢，截面一般为C C型钢型钢 或或Z Z型钢（坡度较大时，可以做到主轴与地面平行型钢（坡度较大时，可以做到主轴与地面平行 ）。檩条壁厚一般）。檩条壁厚一般1.5 1.5 3.03.0mmmm，1.5mm1.5mm为规范规定为规范规定 的下限。的下限。 新修定的国家标准冷弯薄壁型钢结构技术规新修定的国家标准冷弯薄壁型钢结构技术规 范范GB50018-2002 GB50018-2002 已取消了壁厚已取消了壁厚6 6mmmm上限的规定上限的规定 ，板厚由设计者自行掌握（未试验），我国目前已，板厚由设计者自行掌握（未试验），我国目前已 能生产能生产12.512.5mmmm厚的冷弯薄壁型钢。厚的冷弯薄壁型钢。 （6 6）支撑体系：）支撑体系： 必须设屋盖支撑系统和柱间支撑系统。屋盖支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）。一开间设刚性系杆）。 柱间支撑设在与屋盖支撑相同的柱间，无吊车柱间支撑设在与屋盖支撑相同的柱间，无吊车 时，间距一般时，间距一般3030 4545mm，不大于不大于6060mm。有吊车时有吊车时柱柱 间支撑宜设在温度区段中部。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支撑一般为十字交叉，截面采用张紧的圆钢或 小角钢小角钢 。 3 3 荷载计算的特点荷载计算的特点 （1 1）新新修订的建筑结构荷载规范将不上人的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屋面均布活荷载标准值统一规定为0.50.5kNkN/m/m 2 2 （原规范原规范 分分0.30.3、0.50.5、0.70.7kNkN/m/m 2 2 三级）。三级）。 对不上人的屋面均布活荷载，较早的荷载规范取对不上人的屋面均布活荷载，较早的荷载规范取 0.30.3kNkN/m/m 2 2 ，后发现对重屋面偏低，后发现对重屋面偏低，7474规范改为规范改为 0.50.5kNkN/m/m 2 2 。采用概率极限状态设计法后发现对以恒载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，故又提高到为主的结构（混凝土结构）可靠度下降，故又提高到 0.70.7kNkN/m/m 2 2 。 新修订的荷载规范增加了以恒载为主的不利组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，故又恢复到然因素的不利影响，故又恢复到0.50.5kNkN/m/m 2 2 。但注明但注明“ “ 对不同结构可按有关设计规范作对不同结构可按有关设计规范作0.20.2kNkN/m/m 2 2 的增减的增减” ”。 新修订的钢结构设计规范规定新修订的钢结构设计规范规定“ “对支承轻屋面的对支承轻屋面的 构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过 6060mm 2 2 时，取时，取0.30.3kNkN/m/m 2 2 ” ” 。这与原这与原门式刚架轻型房门式刚架轻型房 屋钢结构技术规程的规定有所不同，应注意檩条屋钢结构技术规程的规定有所不同，应注意檩条 的计算。的计算。 （2 2）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS CECS 102102：2002 2002 对对风风荷载作用下的体型系数有特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的规定。特别应注意房屋端区的风风荷载体型系数不荷载体型系数不 同于中间区。同于中间区。 4 4 檩条的设计特点檩条的设计特点 （1 1）檩条为薄壁构件，在受力状态其组成板件可檩条为薄壁构件，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。，一般采用有效截面的方法进行强度计算。 （2 2）檩条的整体稳定计算分为两种情况：）檩条的整体稳定计算分为两种情况： a a. . 风压力作用下，一般压型钢板（条件是有足够风压力作用下，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的抗剪件）和受压区设置的檩间拉条能起侧向约束作 用。用。 b b. . 在风吸力作用下，下翼缘受压（连续设置在风吸力作用下，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。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。也可采用构造要求，如设置隅撑。 檩条的构造处理檩条的构造处理加隅撑加隅撑* * 5 5 构件设计的特点构件设计的特点 （1 1）斜梁轴力较大，一般按压弯构件设计，须满）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 不宜大于不宜大于250250。 工字形截面构件腹板考虑屈曲后强度的设计特点：工字形截面构件腹板考虑屈曲后强度的设计特点： （a a）条款不适用于吊车梁，因有关资料不充分，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。多次反复屈曲可能导致腹板边缘出现疲劳裂纹。 （b b）腹板受剪屈曲后的强度计算利用了张力场概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。采用了相当于下限的近似公式。 （c c）利用腹板屈曲后强度，即使利用腹板屈曲后强度，即使h h w w/ /t tw w 很大，只要很大，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。般不再考虑设置加劲肋。 （d d）利用腹板屈曲后强度后，构件的抗弯及抗压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，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 有效宽度系数有效宽度系数 ，与板件局部稳定的临界应力，与板件局部稳定的临界应力 有关，有关， 以通用高厚比以通用高厚比 作为参数，分作为参数，分 为三个阶段，完全弹性、完全塑性及弹塑性，即：为三个阶段，完全弹性、完全塑性及弹塑性，即： 当当 时，时， ( (a a) ) 当当 ( (b b) ) 当当 ( (c c) ) ( (e) e) 腹板屈曲后的抗剪承载力腹板屈曲后的抗剪承载力V Vd d， ，应为屈曲剪力 应为屈曲剪力 与张力场剪力之和，用下列公式计算：与张力场剪力之和，用下列公式计算： 当当 w w 0.80.8时时 V Vd d = =h hw w t t w w f f v v ( (a a) ) 当当0.80.8 w w 1.41.4时：时： V V d d = =h hw w t t w w f f v v 1-0.641-0.64( ( w w -0.8-0.8) ( (b b) ) 当当 w w 1.41.4时：时： V V d d = =h hw w t t w w f f v v (1-0.275(1-0.275w w ) ) ( (c)c) 式中式中 w w 用于抗剪计算的腹板通用高厚比。用于抗剪计算的腹板通用高厚比。 （f f）工字形截面受弯构件在剪力和弯矩作用下的工字形截面受弯构件在剪力和弯矩作用下的 强度，借用了强度，借用了欧洲规范欧洲规范ECEC3 3的基本计算式：的基本计算式： 当当V V 0.5 0.5 V V d d 时时, , MM MMe e ( (a a) ) 当当0.50.5V V d d V V V V d d 时时, , ( (b b) ) MM f f 梁两翼缘所承担的弯矩，对双轴对称截面梁梁两翼缘所承担的弯矩，对双轴对称截面梁 MM f f = =A A f f( ( h h ww+t) +t)f f（A A f f 为一个翼缘截面积）；为一个翼缘截面积）； MM e e 构件有效截面构件有效截面所承担的弯矩，所承担的弯矩，MM e e = =WW e e f f 。 （g g）工字形截面压弯构件在剪力、弯矩和轴力共工字形截面压弯构件在剪力、弯矩和轴力共 同作用下的强度，采用以下同作用下的强度，采用以下基本计算式：基本计算式： 当当V V 0.5 0.5 V V d d 时时, , MM MM e e -N -N WW e e / A Ae e ( (a a) ) 当当0.50.5V V d d V V V V d d 时时, , ( (b b) ) 兼受压力时兼受压力时梁两翼缘所承担的弯矩，对双轴梁两翼缘所承担的弯矩，对双轴 对称截面梁，对称截面梁， = =A A f f ( ( h h ww+t)( +t)(f - N/A f - N/A ) )； A Ae e 构件的有效截面面积构件的有效截面面积。 （h h）考虑腹板屈曲后强度的加劲肋设计考虑腹板屈曲后强度的加劲肋设计 梁腹板利用屈曲后强度时，其中间加劲肋除承受梁腹板利用屈曲后强度时，其中间加劲肋除承受 集中荷载和翼缘转折外，还承受张力场产生的压力，集中荷载和翼缘转折外，还承受张力场产生的压力， 该压力按下式计算：该压力按下式计算： s s = =V V - 0.9- 0.9h h w w t t w w crcr 式中，式中， s s 为腹板屈曲后为腹板屈曲后张力场产生的压力张力场产生的压力； cr cr为 为 临界剪应力。上式临界剪应力。上式 比理论值偏大，比理论值偏大， 以考虑张力场张以考虑张力场张 力的水平分力的力的水平分力的 不利影响。不利影响。 （2 2）当采用变截面门式刚架时，刚架柱为楔形，）当采用变截面门式刚架时，刚架柱为楔形， 其在刚架平面内的计算长度系数、不能再套用钢结其在刚架平面内的计算长度系数、不能再套用钢结 构设计规范，构设计规范，* *规程另有特殊规定。规程另有特殊规定。 变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算公式仍借变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算公式仍借 用了钢结构设计规范的形式。用了钢结构设计规范的形式。 轴力取小头，弯矩取大头。等效弯矩系数按有侧轴力取小头，弯矩取大头。等效弯矩系数按有侧 移刚架取移刚架取1.01.0。 * * 等等截面刚架柱的计算长度截面刚架柱的计算长度* * （3 3）摇摆柱失稳时，其挠曲线类似于两端铰接的）摇摆柱失稳时，其挠曲线类似于两端铰接的 欧拉柱，因此计算长度取欧拉柱，因此计算长度取1.0 1.0 。 （4 4）连于刚架的摇摆柱，屈曲时对刚架产生水平）连于刚架的摇摆柱，屈曲时对刚架产生水平 力，使刚架柱的临界力降低，故刚架柱的计算长度力，使刚架柱的临界力降低，故刚架柱的计算长度 应乘以增大系数：应乘以增大系数： 6 6 变形控制变形控制 适当放适当放宽宽宽宽框架梁的挠度及框架框架梁的挠度及框架柱柱柱柱顶顶顶顶位位移的限移的限 值值值值，是，是门式刚架门式刚架轻轻轻轻型化的一型化的一项项项项保保证。如：证。如： 刚架柱顶位移限值刚架柱顶位移限值 无吊车、采用轻形墙板无吊车、采用轻形墙板 h h/60/60（h h/150/150） 无吊车、采用砌体墙无吊车、采用砌体墙 h h/100/100（h h/150/150） 有吊车、吊车有驾驶室有吊车、吊车有驾驶室 h h/400/400 有吊车、地面操作有吊车、地面操作 h h/180/180（h h/400/400） 框架斜梁挠度框架斜梁挠度 L L/180/180（ L L/400/400） 7 7 节点设计节点设计 （1 1）门式刚架结构一般在梁柱节点及框架梁的）门式刚架结构一般在梁柱节点及框架梁的 跨中划分运送和安装单元。跨中划分运送和安装单元。 门式刚架斜梁与柱的连接可采用端板竖放、端门式刚架斜梁与柱的连接可采用端板竖放、端 板横放和端板斜放三种形式。板横放和端板斜放三种形式。 （2 2）为保证节点的刚度，节点应采用摩擦型或）为保证节点的刚度，节点应采用摩擦型或 承压型高强度螺栓连接，一般成对布置。承压型高强度螺栓连接，一般成对布置。 梁与柱的刚性连接节点 （3 3）用高强度螺栓连接的端板，为减小杠杆力）用高强度螺栓连接的端板，为减小杠杆力 的影响，其厚度不宜太薄，一般可取的影响，其厚度不宜太薄，一般可取1.521.52d d，或设或设 置加劲肋。置加劲肋。 （4 4）连接按承受的最大内力设计。斜梁与柱相连接按承受的最大内力设计。斜梁与柱相 交的节点域，应验算抗剪强度。交的节点域，应验算抗剪强度。 柱翼缘和横向加劲柱翼缘和横向加劲 肋为边界的节点腹板区肋为边界的节点腹板区 域所受的剪应力应满足域所受的剪应力应满足 下式要求下式要求: : 公式来源于设置柱横向加劲肋时钢框架节点柱腹公式来源于设置柱横向加劲肋时钢框架节点柱腹 板节点域的抗剪强度计算。板节点域的抗剪强度计算。 柱节点腹板区域所受的剪力柱节点腹板区域所受的剪力: : 或或 两式等价，取其一。两式等价，取其一。 节点域周边的内力节点域周边的内力 剪应力应满足下式要求：剪应力应满足下式要求： 规范规定的计算式在上式的基础上加以了调整规范规定的计算式在上式的基础上加以了调整 和简化。和简化。 a a. .节点域的周边有柱翼缘和加劲肋提供的约束节点域的周边有柱翼缘和加劲肋提供的约束 ，使抗剪承载力大大提高，故将节点域抗剪强度提，使抗剪承载力大大提高，故将节点域抗剪强度提 高到高到 。 b b. .节点域中弯矩的影响较大，剪力的影响较小。节点域中弯矩的影响较大，剪力的影响较小。 略去剪力项使算得的结果偏于安全略去剪力项使算得的结果偏于安全20%20% 30%30%，但公，但公 式没有包括柱腹板轴压力设计值式没有包括柱腹板轴压力设计值N N对抗剪强度的不利对抗剪强度的不利 影响，一般影响，一般N N与其屈服承载力与其屈服承载力N N y y 之比之比0.50.5，则轴压力则轴压力 对抗剪强度不利影响系数为对抗剪强度不利影响系数为 ， 与略去剪应力有利影响相互抵消而略偏安全。与略去剪应力有利影响相互抵消而略偏安全。 因此，公式即成为因此，公式即成为 式中的式中的h h b bh hc c t t w w= =V Vp p 称为节点域的体积。称为节点域的体积。 当节点域计算不满足要求时，应加厚腹板或设当节点域计算不满足要求时，应加厚腹板或设 置斜加劲肋。置斜加劲肋。 （5 5）门式刚架的柱脚构造）门式刚架的柱脚构造 （2 2）格构式框架结构体系）格构式框架结构体系 当跨度大于当跨度大于6060mm时，实腹式框架不太经济，此时时，实腹式框架不太经济，此时 可采用格构式，最大可做到可采用格构式，最大可做到150150mm。 通常设计成变截面，框架横梁的高跨比在通常设计成变截面，框架横梁的高跨比在1/121/12 1/201/20范围内选取。范围内选取。 内力及变形的计算内力及变形的计算 当跨度不大时，格构式普通框架可以取换算刚度当跨度不大时，格构式普通框架可以取换算刚度 ，折算成与其等效的实腹框架求解内力。当跨度较，折算成与其等效的实腹框架求解内力。当跨度较 大时，必须考虑全部腹杆的变形进行计算。大时，必须考虑全部腹杆的变形进行计算。 框架横梁的挠度只需计算由可变荷载引起的，框架横梁的挠度只需计算由可变荷载引起的， 永久荷载产生的挠度可由结构的起拱来消除。当永久荷载产生的挠度可由结构的起拱来消除。当 跨度大于跨度大于5050mm且刚性柱（支座）不高时，须计入框且刚性柱（支座）不高时，须计入框 架的温度应力。实腹框架的横梁与柱一般设计成架的温度应力。实腹框架的横梁与柱一般设计成 焊接工字型截面，其承载能力按压弯构件计算。焊接工字型截面，其承载能力按压弯构件计算。 两铰框架中的框架柱可以作成沿高度变截面的形两铰框架中的框架柱可以作成沿高度变截面的形 式，这样能充分利用截面强度，减轻结构自重。式，这样能充分利用截面强度，减轻结构自重。 构造特点构造特点 a a. . 框架负弯矩处框架负弯矩处 下翼缘为防止平面下翼缘为防止平面 外失稳，应加设斜外失稳，应加设斜 撑。撑。* * b. b. 在双铰框架结在双铰框架结 构中，为减小横梁构中，为减小横梁 中部的弯矩，可采中部的弯矩，可采 用图中用图中使横梁卸载使横梁卸载 的做法。的做法。 c. c. 截面受力较小时可采用双角钢组合截面受力较小时可采用双角钢组合T T形截面、形截面、 T T型钢截面；受力较大时可采用槽钢或工字钢截面型钢截面；受力较大时可采用槽钢或工字钢截面 。 d. d. 因格构式框架受力较大，框架横梁与柱转角因格构式框架受力较大，框架横梁与柱转角 处比较合理处比较合理 的构造是在的构造是在 转角范围内转角范围内 做成实腹式做成实腹式 并加加劲杆。并加加劲杆。 （3 3）拱式结构体系）拱式结构体系 拱式结构外形美观，体现了结构受力与建筑造拱式结构外形美观，体现了结构受力与建筑造 型的完美结合，是大跨度钢结构中一种重要的形式型的完美结合，是大跨度钢结构中一种重要的形式 。 拱的特点拱的特点 （1 1）拱身主要承受轴力，当跨度较大（如超过拱身主要承受轴力，当跨度较大（如超过 8010080100mm）时，较梁式结构和框架式结构更经济。时，较梁式结构和框架式结构更经济。 （2 2）形式有两铰拱、三铰拱和无铰拱。使用最）形式有两铰拱、三铰拱和无铰拱。使用最 多的是双铰拱，优点是安装和制造较简单，铰处可多的是双铰拱，优点是安装和制造较简单，铰处可 自由转动，温度应力也较低。无铰拱跨中弯矩分布自由转动，温度应力也较低。无铰拱跨中弯矩分布 最有利，但需要较强的基础，温度应力也较大。最有利，但需要较强的基础，温度应力也较大。 双铰拱 三铰拱 无铰拱 （3 3）拱的水平推力较大，对支座的要求较高。）拱的水平推力较大，对支座的要求较高。 为减轻水平推力，可设置水平拉杆或采用橡胶支座为减轻水平推力，可设置水平拉杆或采用橡胶支座 。 在加盖的体育场、展览馆以及飞机库里，拱的支在加盖的体育场、展览馆以及飞机库里，拱的支 座常常是房屋的墙体、看台等。没有横墙或看台的座常常是房屋的墙体、看台等。没有横墙或看台的 情况下则要求设置拱扶壁以承受拱的水平推力。情况下则要求设置拱扶壁以承受拱的水平推力。 （4 4）拱截面分实腹式和桁架式两种，一般为等截）拱截面分实腹式和桁架式两种，一般为等截 面。面。拱身所受弯矩较小，因而截面高度不大，实腹拱身所受弯矩较小，因而截面高度不大，实腹 式可取式可取 l l /50 /50 l l /80/80，桁架式可取桁架式可取l l /30 /30 l l /60/60。 拱拱截面可采用截面可采用H H型钢、双角钢、型钢、双角钢、T T型钢、槽钢、型钢、槽钢、 圆钢管和方钢管等。圆钢管和方钢管等。 拱的设计拱的设计 （1 1）拱轴线的形状应尽可能选择与压力曲线接近）拱轴线的形状应尽可能选择与压力曲线接近 。对称并沿拱弦线均布的荷载起主要作用时，宜采用。对称并沿拱弦线均布的荷载起主要作用时，宜采用 二次抛物线（与弯矩图接近）。为简化拱的设计与制二次抛物线（与弯矩图接近）。为简化拱的设计与制 造