钢结构第7章大跨度和多高层房屋结构.ppt

,本章目录,7.1平面承重的大跨屋盖结构7.2空间网架屋盖结构7.3悬挂式屋盖简介7.4多、高层钢结构概述,大跨度房屋结构常用于公共建筑。如会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、市场、火车站、航空港等。也用于工业建筑，特别是在航空工业和造船工业中，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。大跨度建筑物的用途、其使用条件以及对其建筑造型方面要求的差异性，决定了采用结构方案的多样性。可采用梁式、框架式、拱式、空间式以及悬挂-悬索式的结构。,首都机场三号航站楼,日本名古屋网壳穹顶,第7.1节平面承重的大跨屋盖结构,1.梁式大跨结构2.框架结构3.拱式结构,本节目录,应用：通常采用简支桁架作为主要承重构件。其上、下弦及腹杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。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。优点：制造与安装较为简单。常用体系：大跨度屋盖、预应力三角形截面桁架适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量过大而不经济。,7.1.1梁式大跨结构,预应力三角形截面桁架,预应力三角形截面桁架便于制造、运输和安装，给设置大跨度梁式结构体系以良好基础。,铺设于屋架上的钢筋混凝土屋面板可参与共同受压，采用管材(方管、圆管)杆件以及施加预应力这三个方面使得这种结构体系钢材用量比较经济。,7.1.2框架结构,7.1.2.1框架的体系及形式,7.1.2.2计算原则及构造特点,计算原则格构式普通框架可以折算成与其等效的实腹框架。重型的格构式框架按格构式体系考虑全部腹杆的变形进行计算。大跨框架的挠度仅用可变荷载求得，永久荷载产生的挠度由相应的结构起拱来抵消。当跨度大于50m且刚性柱(支座)不高时，须计入框架的温度应力。两铰框架中，框架柱可以做成沿高度变截面形式，这样能减轻结构自重并具有较好的外观。当杆件内力大于等于2000kN时，应按重型桁架设计，杆件截面通常设计成双腹杆的。,当支座反力大于25003000kN时，框架的支座应设计成辊轴式；反力较小时，可设计成平板式。,构造特点,在双铰框架结构中,为减小横梁中部的弯矩,可采用图中使横梁卸载的做法。,横梁与柱连接的框架节点内角弯折处应做成平缓曲线以避免应力集中。为使转角处腹板不致失稳，应在其内部受压区设置短加劲肋。,7.1.3拱式结构,7.1.3.1拱的体系及形式,（1）拱的形式有：两铰拱、三铰拱、无铰拱。拱式体系用钢量比梁式体系及框架体系经济。,两铰拱：安装和制造简单。因为铰可自由转动的特性，两铰拱易于适应变形。三铰拱：与两铰拱相比无突出的优点，拱钥铰还使拱本身结构及屋面设置复杂化。,设置拉杆对于软弱地基的情况，设置拉杆承担拱的横向水平力更为合适。设有拉杆的拱其支座主要承受垂直荷载，故这种情况下支座比较轻巧。,无铰拱：对于弯矩沿跨度的分配最为有利，但必须设置强大的基础，而且要计算温度的作用。,（2）水平推力的解决措施：,拱支承在墙体上时，横向反力也可用在支座铰水平处设置拉杆的办法加以解决。为了在不增加房屋高度的情况下增大房间的有效高度，有时将拉杆布置于拱支座铰水平之上。,设置拱扶壁在加盖的体育场、展览馆以及飞机库里，拱的支座常常是房屋的墙体、看台等。没有横墙或看台的情况下则要求设置拱扶壁以承受拱的水平推力。,（3）拱外形：接近压力曲线,抛物线拱：当对称的、沿拱弦线均布的荷载值起主要作用时最为合适。,圆弧拱：适于扁平拱,可以简化拱的设计与制造，使拱构件及节点达到最大标准化。,悬链线拱：适于自重很大的高拱。高拱中风荷载引起很大的内力，而且风荷载有可能自两面作用并给出两条截然离散的风压线。此时拱的外形宜取两条极端风压曲线的中间线。,7.1.3.2拱的构造特点,拱截面分实腹式和桁架式两种，一般为等截面。拱身所受弯矩较小，因而截面高度不大，实腹式可取1/50-1/80，桁架式可取1/30-1/60。拱截面可采用H型钢、双角钢、T型钢、槽钢、圆钢管和方钢管等。格构拱的腹杆可设计成附加竖杆的三角体系、无附加竖杆的三角形体系及斜腹杆体系。（如下图）,实腹式拱与格构式拱的支座铰具有相同的结构。常用的支座铰的形式如下。,7.1.3.3拱的计算特点,风荷载是拱结构计算中一项非常重要的荷载。特别应注意风吸力对拱结构的影响，还应考虑侧风压或端风压作用在建筑物上的情况。拱本身作为受压曲杆，需要验算强度和稳定。拱出平面的稳定，由横向支撑及檩条体系提供保证。拱在弯矩作用平面外的刚度如果与平面内相差很大，应按压弯杆件验算平面外的稳定。,第7.2节空间网架屋盖结构,本节目录,1.空间结构及特性2.平板式空间网架的形式3.网架结构设计特点,空间网架结构是由许多杆件按照一定规律布置通过节点连接而成的网格状结构体系。常将平板型的空间网架结构称做网架，将曲型的空间网架结构称做网壳。目前空间结构中以网架结构在我国发展最快,应用最广。,7.2.1空间结构及特性,空间结构体系,7.2.1.1优越的力学性能,整体受力，共同工作。以整个结构的形体来承受外荷载，按照空间的几何特性分担承受荷载任务，没有平面结构体系中构件之间那种主次关系。空间受力，高次超静定。在荷载作用下为三向受力，并以面内力或轴力为主。具有良好的抗震性能。跨越能力大。,空间结构特性,7.2.1.2良好的经济型、安全性与适用性,整体受力性能好，传力路线简洁、可靠，故可节约大量建筑材料，经济效果好。高次超静定结构，内力重分布可使其具有额外的安全储备，可靠程度较高。适应不同跨度、不同支承条件的各种建筑要求。同时，建筑造型轻巧、美观、便于建筑处理和装饰等。杆件主要承受轴向力，能充分发挥材料的强度。,7.2.2平板式空间网架的形式,网架结构形式较多，其分类有不同标准。1.按结构组成分类,2.按支承情况分类,3.按网格组成分类,(1)交叉桁架体系这类网架由若干相互交叉的竖向平面桁架所组成。竖向平面桁架的形式与一般平面桁架相似。桁架的节间长度即为网格尺寸。这些平面桁架可沿两个方向或三个方向布置，当为两向交叉时其交角可为90（正交)或任意角度(斜交)；当为三向交叉时其交角为60。这些相互交叉的竖向平面桁架当与边界方向平行(或垂直)时称为正放，与边界方向斜交时称为斜放。桁架之间交角的变化和边界相对位置的不同，使得有下面的网架形式。,两向正交正放网架两向正交正放网架的构成特点是：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且分别与边界方向平行。,两向正交斜放网架两向正交斜放网架的构成特点是：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，是与边界成45夹角。,三向网架三向网架的构成特点是：三个方向的竖向平面桁架互成60角斜向交叉。,（2）四角锥体系网架,正放四角锥网架：以倒四角锥体为组成单元，锥底的四边为网架的上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆，它的上、下弦杆均与相应边界平行。,正放抽空四角锥网架：在正放四角锥网架的基础上，除周边网格不动外，适当抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸比上弦网格尺寸大一倍。,斜放四角锥网架：以倒四角锥体为组成单元，由锥底构成的上弦杆与边界成45夹角，而连接各锥顶的下弦杆则与相应边界平行。因此，它的上弦网格呈正交斜放，下弦网格呈正交正放。,（1）一般计算原则网架结构的设计计算应遵循现行有关国家或行业标准的规定。包括：建筑结构荷载规范GB50009-2001建筑抗震设计规范GB50011-2001钢结构设计规范GB50017-2003冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002网架结构设计与施工规程JGJ7-91,7.2.3网架结构的设计特点,7.2.3.1计算方法要点,（2）计算方法及其特点根据需要可采用精确法或近似。空间桁架位移法，又称矩阵位移法。其计算过程在结构力学中有过介绍，即该法以杆件为基本单元，以节点三个线位移为基本未知量。先进行单元分析，得到单元刚度矩阵，后进行整体分析，得到结构总刚度矩阵和结构总刚度方程。再引进边界条件求得各杆件内力N。求得各杆件内力N后,按照本书前述轴心受力构件一章的内容进行设计验算。空间桁架位移法计算较精确，且适用范围广泛。,差分法与拟夹层板法。差分法经惯性矩折算，将网架简化为交叉梁系进行差分计算,它适用于跨度L40m由平面桁架系组成的网架、正放四角锥网架。一般按图表计算，误差20。拟夹层板法将网架简化成正交异性或者各向同性的平板进行计算，它适用于跨度L40m由平面桁架系或角锥体组成的网架。一般按图表计算，误差10。,7.2.3.2一般设计规定,（1）选型网架结构设计首先要选型，通常是根据工程的平面形状、跨度大小、支承情况、荷载大小、屋面构造、建筑设计等诸因素，结合以往的工程经验综合确定。网架杆件的布置必须保证不出现结构几何可变的情况。（2）网格尺寸和网架高度标准网格多采用正方形，但也采用长方形，网格尺寸可取(1/61/20)L2，网架高度(也称为网架矢高)H可取(1/10一1/20)L2，L2为网架的短向跨度。具体尺寸和高度可根据网架形式、跨度大小、屋面材料以及构造要求和建筑功能等因素确定。,（3）网架结构体系的屋面目前，采用得较多的是有檩体系与轻质屋面相结合的方案。各种混凝土屋面板、钢丝网水泥板用于无檩体系中，采用已越来越少。,（4）网架杆件截面以圆钢管性能最优，使用最广泛。材料通常选用Q235系列或者Q345系列钢材。杆件的计算长度l0：对螺栓球节点网架(因节点接近于铰接)，其杆件的计算长度l0取等于杆件的几何长度l。对焊接球节点网架，其弦杆及支座腹杆取l00.9l,而其余腹杆取l00.8l。,杆件的长细比限值对受压秆件，其长细比限值180；对受拉杆件支座处及支座附近的杆件长细比限值300、一般杆件400，直接承受动力荷载的杆件250。杆件最小截面规格为了保证网架杆件的承载力并使其具有必要的刚度，限制杆件的截面规格不得小于钢管482，角钢L503,（5）网架节点设计与构造要点网架节点有：焊接钢板节点、焊接空心球节点、螺栓球节点、焊接短钢管节点等形式。节点的重量一般为网架总重量的2025，所占比重较大，因节点破坏而造成工程事故的例子不少，所以应于充分重视。,焊接空心球节点空心球可分为不加肋和加肋两种，如下图所示。所用材料为Q235钢或Q345钢。当球直径设计为D时，用下料为1.414D直径的圆板经压制成型做成半球，再由两个半球对焊而成。,这种节点适用于连接钢管杆件，被广泛应用。节点构造是将钢管杆件直接焊接连接于空心球体上，具有自动对中和“万向”性质，因而适应性很强。,直径D为120500mm的焊接空心球，其承载力设计值Nc(受压球)和Nt(受拉球)可分别按下式计算：,D空心球外径(mm)；t空心球壁厚(mm)；d钢管外径(mm)；f钢管材料强度设计值(Nmm2)；c受压空心球加肋承强力提高系数，加肋c=1.4，不加肋c=1.0；t受拉空心球加肋承强力提高系数，加肋t=1.1,不加肋t=1.0。,空心球外径D与壁厚t的比值可按设计要求选用，一般取D(2545)t；空心球壁厚t与钢管最大壁厚的比值宜为1.22.0。另外,空心球壁厚t不宜小于4mm。,在确定空心球外径时，球面上网架相连接杆件与杆件之间的缝隙a不宜小于10mm。为了保证缝隙a，空心球直径也可初步按下式估算：D(d1+d2+2a)/式中:汇集于空心球节点任意两钢管杆件间的夹角(rad)；d1,d2组成角的钢管外径(mm)；ad1与d2两钢管间净距离，一般a10mm.,螺栓球节点螺栓球节点由螺栓、钢球、销子(或止紧螺钉)、套筒和锥头或封板组成，如下图,适用于连接钢管杆件。,螺栓是节点中最关键的传力部件，在同一网架中，连接弦杆所采用的高强度螺栓可采用同一直径，而连接腹杆的可采用同一直径。在小跨度的轻型网架中，连接球体的弦杆和腹杆可以采用同一规格的直径。螺栓直径一般由网架中最大受拉杆件的内力控制，一个螺栓受拉承载力设计值按下式计算：,螺栓直径对承载力影响系数；当螺栓直径30mm时,取为1.0；当螺校直径30mm时,取为0.93；Ae高强度螺栓的有效截面面积(mm2)，即螺栓螺纹处的截面积,当螺栓上钻有销孔或键槽时。Ae应取螺纹处或销孔键槽处二者中的较小值；,ftb高强度螺栓经热处理后的抗拉强度设计值，对40B钢、40Cr钢与20MnTiB钢，取为430N/mm2；对45号钢，取为365N/mm2。,螺栓直径确定后，钢球直径按照下式的较大者取值：,式中D钢球直径(mm)；两个螺栓之间的最小夹角(rad)d1,d2螺栓直径(mm)，d1d2，螺捡拧进钢球长度与螺栓直径的比值;可取1.1;套筒外接因直径与螺栓直径的比值;可取1.85。,支座节点网架的支座节点分为压力支座节点和拉力支座节点两大类。压力支座中，平板压力支座常用于较小跨度；单面弧形压力支座适用于中等跨度；双面弧形压力支座适用于大跨度。拉力支座中，较常用平板拉力支座和单面弧形拉力支座。(6)网架的挠度限值最大挠度限值fL2/250，式中L2为网架短向跨度。,G网架自重(kN/m2)；qw除去网架自重外的屋面荷载标准值(kN/m2)；系数，对钢管网架取1.0；对型钢网架取1.2；L2网架短向跨度(m)。,(7)网架自重估算的经验公式计算网架考虑荷载时要估计网架自重，网架自重G按下式估算:,第7.3节悬挂式屋盖简介,概念跨间承重结构的基本构件受拉工作的屋盖，称为悬挂式屋盖。这时，高强材料能得到最充分地利用，因而悬挂式结构使用的效果随跨度增大面提高。特点易于运输，安装可以不用脚手架，然而施工困难。为推力体系，为了承受横向反力(钢索或牵拉壳体的水平分力)必须设置支座结构，其造价可能占整个房屋造价的很大部分。变形比较大。大多数悬挂式屋盖体系是瞬时刚性体系，因而需要预张拉。,悬挂式屋盖常用体系：单层悬索体系、双层悬索体系、金属薄壳膜、鞍状应力索网等。,单层悬索体系,双层悬索体系,第7.4节概述,1.多、高层钢结构的特点2.高层建筑钢结构的结构体系,本节目录,7.4.1多、高层钢结构的特点,世界上第一幢高层钢结构是美国芝加哥的家庭保险公司大楼(10层，高55m)，建于1884年。20世纪开始，钢结构高层建筑在美国大量建成，最具代表性的有：l02层、高381m的纽约帝国大厦110层、高411m的世界贸易中心目前世界上最高的钢结构建筑为110层、高443m的芝加哥西尔斯大厦。,芝加哥西尔斯大厦,帝国大厦,我国现代高层建筑钢结构自80年代中期起步，第一幢高层建筑钢结构为43层、高165m的深圳发展中心大厦。此后，较具代表性有：44层、高144m的上海希尔顿饭店60层、高208m的北京京广中心81层、高325m的深圳地王大厦88层、高420.5m的金茂大厦1998年底，我国颁布高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ9998）。,深圳发展中心大厦,深圳地王大厦,钢结构住宅,高层钢结构建筑的特点主要表现在：(1)自重轻(2)抗震性能好(3)有效使用面积高(4)建造速度快(5)防火性能差,7.4.2高层建筑钢结构的结构体系,常用的高层建筑钢结构的结构体系主要有：框架结构体系框架剪力墙结构体系框架支撑结构体系框架核心筒结构体系及筒体体系,(1)框架结构体系纯框架结构一般适用于层数30的高层钢结构，如图。框架结构的平面布置灵活，可为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大延性，自震周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小，由于侧向位移大，易引起非结构构件的破坏。,(2)框架剪力墙结构体系在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系，如图。这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的