大跨度钢结构PPT课件

1 第3章大跨度房屋结构3 1概述应用范围1 大会堂2 剧院3 体育馆4 市场5 航空港7 工厂 仓库 造船厂结构形式1 平面结构体系 50 70m 梁式结构 平面桁架和空间桁架 平面刚架和拱式结构2 空间结构体系 100 200m 网架结构 网壳结构 悬索结构和张拉整体结构以及混合结构 2 3 2 1梁式大跨结构 桁架 1 桁架的形式平面桁架 40 60m 空间桁架 100m 2 梁式体系屋盖布置 简单式 复杂式 P1063 2 2框架结构 1 框架的形式 实腹式和格构式 两铰及无铰框架 2 框架式结构的布置横向框架布置 P108 纵向框架布置 P108 双面框架布置 P108 3 2平面结构体系 3 3 2 3拱结构 1 拱的形式 2 拱式结构的布置3 3网架结构3 3 1网架结构的特点 适用范围3 3 2网架的结构形式及选型 1 网架结构的几何不变性分析 2 网架的组成 网架是由上弦杆 下弦杆两个表面及上下弦面之间的腹杆组成 一般称为双层网架 最为常用 3 网架的结构形式 交叉桁架体系网架 角锥体系网架 网架的结构选型 安全可靠 技术先进 经济合理 美观适用 4 3 3 3网架的主要尺寸 1 网架的高度 网架的跨度 屋面荷载 平面形状 支承条件及设备管道 主要取决于网架的跨度可按表3 1来确定 2 网格尺寸 上弦网格尺寸 按表3 1定3 3 4作用和荷载组合 1 永久荷载 网架自重 楼面或屋面自重 保温层 防水层 吊顶 设备管道等材料的自重 双层网架结构的自重可按下列经验公式估算 3 2 5 2 可变荷载网架结构上的可变荷载主要有屋面或楼面活荷载 雪荷载 积灰荷载 风荷载以及吊车荷载 其中在荷载组合时 雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑 取两者的较大值 屋面或楼面活荷载的取值 可根据实际使用情况查现行荷载规范确定 在荷载组合时 雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑 取两者的较大值 积灰荷载的取值 应考虑厂房性质 由生产工艺提出 或按荷载规范规定参考采用 风荷载应根据实际情况考虑风荷载的影响 例如 对于周边支承 且支座节点在上弦的网架的风荷载由四周墙承受 计算时可不考虑风荷载 吊车荷载标准值按现行荷载规范有关规定确定 6 3 温度作用温度作用是指由于温度变化 会引起杆件的伸长或缩短 如果这种温度变形受到约束 网架杆件将产生附加温度应力 必须在计算和构造措施中加以考虑 当网架结构符合P120条件之一者 可不考虑温度变化而引起的内力 4 地震作用一般情况下 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 7 3 3 4 2荷载效应组合1 承载能力极限状态对于承载能力极限状态 应按下列组合值中取最不利值进行设计 对于非抗震设计时 结构构件的荷载效应组合的设计值应按下式计算 1 由可变荷载效应控制的组合2 由永久荷载效应控制的组合 3 4 3 5 8 对于抗震设计时 结构构件的地震作用效应和其他荷载效应组合的设计值应按下式计算 2 正常使用极限状态 3 6 3 7 网架结构的容许挠度不应超过下列数值 用作屋盖 L 250 用作楼盖 L 300 L为网架的短向跨度 当网架结构的最大挠度值不满足容许挠度限值时 需要重新调整结构刚度或通过适当起拱的方法来解决 有起拱要求时 其挠度不得大于短向跨度的1 300 9 3 3 5网架结构的计算方法1 空间桁架位移法空间桁架位移法 空间杆系有限元法 以网架结构的杆件作为基本单元 以节点位移作为基本未知量 先对杆件单元进行分析 根据虎克定律建立单元杆件内力与节点位移之间的关系 形成单元刚度矩阵 然后再对结构进行整体分析 根据各节点的变形协调条件和静力平衡条件建立结构上的节点荷载和节点位移之间的关系 形成结构的总刚度矩阵和总刚度方程 求解引入给定边界条件后的总刚度方程 得出各节点的位移值 最后 由单元杆件内力与节点位移之间的关系求出杆件内力 空间桁架位移法是目前空间杆系结构计算精度最高的一种方法 实践证明计算结果与试验值极为接近 适用于各种类型 各种平面形状 不同边界条件的网架 静力荷载 地震作用 温度作用等工况均可计算 也可同时考虑网架与下部支承的共同作用 10 2 交叉梁系差分法交叉梁系差分法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架的计算 3 拟夹层板法拟夹层板法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或角锥网架的计算 此法可考虑剪切变形和刚度变化的影响 4 假想弯矩法假想弯矩法可用于斜放四角锥网架 棋盘形四角锥网架的估算 11 3 3 7网架的杆件与节点杆件的材料一般用Q235钢和16Mn钢 16Mn钢强度高 塑性好 当荷载较大或跨度较大时 宜采用16Mn钢 可以减轻网架自重和节约钢材 网架常采用圆钢管 角钢 薄壁型钢作为杆件 圆钢管截面封闭 且各向同性 抗弯刚度各向都相同 回转半径大 抗扭刚度大 因此受力性能较好 承载力高 杆件优先选用圆钢管 且最好是薄壁钢管 但圆钢管的价格较高 因而对于中小跨度且荷载较小 也可采用角钢或薄壁型钢 杆件截面型式的选择主要与网架的网格形式和节点形式有关 对于交叉平面桁架体系 可选用角钢或圆钢管 对于角锥体系网架则应选择圆钢管 若采用钢板节点 宜选用角钢杆件 若采用焊接球节点 螺栓球节点 则应选用圆钢管杆件 网架杆件一般情况下为轴心受力杆件 也可能为拉弯或压弯杆件 具体应根据钢结构设计规范进行承载能力极限状态和正常使用极限状态两方面的设计计算 12 图3 48钢板节点 a 角钢钢板节点 b 管筒米字型板节点 图3 49焊接空心球 图3 50螺栓球节点 13 3 4网壳结构3 4 1网壳结构形式及选型1网壳结构的常用形式2网壳结构的选型网壳结构的设计应根据建筑物的功能 平面形状和尺寸 网壳的支承方式 荷载大小 建筑构造与要求 综合考虑材料供应和施工条件以及制作安装方法 选择合理的网壳结构形式 以取得良好的技术经济效果 一般情况下 单层网壳结构由于稳定性较差 只适合于中 小跨度的建筑 而双层网壳适合于跨度大小40m的建筑 当网壳结构承受较大的非对称荷载或集中荷载时 对于单层网壳结构应选用球面短程线型 凯威特型 柱面双斜杆型和联方型等稳定性好的网格形式 网壳的矢高对结构受力性能影响很大 当网壳的跨度较小时 可选用矢高较小的双曲扁网壳或落地式的双曲抛物面网壳 当跨度较大时 应选用矢高较大的球面或柱面网壳 14 3 5悬索结构3 5 1悬索结构形式及选型1悬索结构的常用形式2悬索结构的选型悬索结构的设计选型时 建筑物的功能 平面形状 结构跨度以及荷载大小等将是结构选型的主要考虑因素 通常矩形平面可采用单层单向悬索 承重索沿长边方向布置 或双层单向悬索 索沿短边向布置 在圆形平面中可采用单层或双层辐射状悬索及索网结构 在接近方形的平面和椭圆形平面中则选用索网结构较为合适 当平面为梯形或扇形 采用单层或双层悬索体系时 索的两端支点应按等距离设置 索系可按不平行布置 一般情况下 单层悬索结构体系由于形状稳定性较差宜采用重屋面或通过设置横向加劲构件来改善其工作性能 双层悬索体系 索网结构宜采用轻屋面 也可采用重屋面 双层单向悬索结构应设置足够的边缘支撑构件来加强结构的整体性 辐射状悬索结构布索时为了不使外环锚固孔过密而削弱环截面 上 下索宜错开布置 因此上 下索数量相等或呈倍数 以使外环受力均匀 15 3 6其他新型空间结构1拉整体结构 图3 68张拉整体结构示意图 图3 69美国亚特兰大奥运会主体育馆 16 2混合空间结构 江西省体育馆屋盖结构 拱 空间网架结构 17 上海石化总厂附中体育馆拱支单层柱面网壳 2 拱一空间网壳结构 18 四川省体育馆 3 拱一悬索混合结构 19 沙特阿拉伯首都利雅德的法赫德国际体育场 4 张拉薄膜结构 20 5 斜拉混合结构 上海八万人体育场 深圳欢乐谷中心表演场 21 6 索一桁架结构 安徽省体育馆的索 桁架组合屋盖结构 a 屋面平面结构 b 纵剖面图 22 3开合屋盖结构1 自承式开合屋盖结构2 它承式开合屋盖结构3 折叠式开合屋盖结构 a 闭合状态 b 开启状态3 85日本海洋穹顶 23 闭合状态 b 开启状态图3 86大分体育馆 图3 87福冈穹顶 24 桁架形式 图3 1平面桁架 图3 2空间桁架 25 图3 3预应力桁架 屋盖结构用于跨度为50 100m时特别经济 26 图3 5实腹式双铰框架 L 50 60m H L 20 L 12 图3 6格构式框架 双铰 无铰 预应力H L 30 L 10 27 图3 7折线形格构式框架 高度15 20m H 1 25 1 15 图3 8各种预应力框架 28 图3 12拱的形式 展览馆 体育馆 飞机库 仓库 图3 13设有抬高拉杆的拱 a 双铰拱 b 三铰拱 c 无铰拱 29 图3 14多跨拱 多跨拱常用于火车站 展览馆及其它类似建筑中 相邻跨的横向反力大都能相互抵消 仅在各跨活荷载不等和受风荷载作用时 才受弯 因此支座的截面不大 30 图3 18网架形式 a 平板型网架 双层 b 壳型网架 单层 双曲 c 壳型网架 单层 单曲 31 图3 20两向正交正放网架 图3 21两向正交斜放网架 构造简单 便于制作安装 适用于正方形 近似正方形的建筑平面 跨度以30 60m的中等跨度为宜 适用于建筑平面为正方形或长方形的中大跨度的情况 32 图3 23两向斜交斜放网架 图3 24三向交叉网架 构造复杂 受力性能不好 因而很少采用 一般用于建筑平面两方向柱距不等的情况 节点构造比较复杂 适用大跨度建筑 l 60m 特别适用于三角形 多边形和圆形的建筑平面 33 图3 25三角锥网架 图3 26抽空三角锥网架图3 27蜂窝形三角锥网架 网架杆件减少 用料较省 构造也较简单 但空间刚度不如前者 适用于较小跨的三角形 六边形和圆形平面的建筑 上弦平面的六边形网格增加了屋面板布置与屋面找坡的困难 这种网架适用于中 小跨度的周边支承的六边形 矩形和圆形平面的建筑 34 图3 28正放四角锥网架 图3 29正放抽空四角锥网架 受力较均匀 空间刚度较好 则屋面板规格统一 上下弦杆长度相同 制作 构造简单 但杆件数量多 用钢量大些 适用于建筑平面接近正方形平面的中 小跨度周边支承的情况 也适用于大柱网 点支承 设有悬挂吊车的工业厂房的情况 节点汇集的杆件数目少 构造简单 这种网架适用于中小跨度和矩形平面的建筑 35 图3 32星形四角锥网架 上弦杆比下弦杆短 受力合理 但在角部上弦杆可能受拉 该处支座可能出现拉力 这种网架刚度较正放四角锥网架差 适用于中 小跨度周边支承的网架 图3 33棋盘形四角锥网架 适用于狭长矩形平面的建筑 36 a 锥尖向下 b 锥尖向上 图3 35六角锥体网架 此种网架的杆件多 节点构造复杂 屋面板为三角形或六角形 施工较困难 现已很少采用 37 a b c d 图3 59圆柱面网壳 单层网壳 双层网壳 38 图3 61球面网壳的网格图 a 肋环型 b 肋环斜杆型 c 三向网格 d 扇形三向网格 e 葵花形三向网格 f 短程线型 39 a b a b 图3 62椭圆抛物面网壳的网格图3 63双曲抛物面网壳的网格 40 图3 65单层悬索体系 图3 66双层悬索体系 单层单向平行布置 单层辐射状布置 单层网状布置 双层单向平行布置 双层辐射状布置 41 图3 67索网结构 42 一 国家体育场 平面为椭圆形 长轴340m短轴292m 屋盖中间设185 3mX127 5m开口 整体承重结构由一系列门式刚架绕着内环旋转而成 这种结构布置形成一种三维空间承重体系 可容纳8万人 奥运会期间可容纳10万人 43 二 国家游泳中心 国家游泳中心建筑体形简单 为170mx170mx29m方盒子状 屋盖厚7m 墙厚5 4m 可容纳1 7万人 外墙及屋面的填充单元是由十二面体和十四面体组合而成的异型网格或称WP多面体 Weaire phelan 然后再按一定角度斜切成水泡状网格 既有上弦 也有下弦 中间为腹杆 网格内外均铺设透明的ETFE充气膜膜枕 赋以整个建筑以晶莹剔透的外表 这种结构又称之为 水立方 WaterCube 杆件仍用传统的方钢管 上下弦 及圆钢管 腹杆 而节点大多数为我国采用最普遍的常规和异型焊接空心球节点 44 三 国家体育馆 国家体育馆在建筑空间上划分为两个大厅 即比赛大厅和训练大厅 比赛大厅空间平面尺寸为114mX144 5m 柱顶高度约35m 43m 30m 训练大厅空间平面尺寸为51mX63m 柱顶高度约30m 22 3m 屋盖结构采用新型空间结构双向张弦桁架体系 下部结构为框架抗震墙结构与型钢混凝土框架 钢支撑相结合的混合型结构体系 45 四 天津奥林匹克中心体育场 天津体育场的外观造型以具有自然形态的露珠为主题 屋顶结构采用钢桁架悬挑结构 屋顶桁架选用V字型平行弦桁架悬挑结构 悬挑长度50m 支点间距14m 钢结构屋架平面呈扁长椭圆 长轴约471米 短轴约370米 整个平面沿长轴对称 屋面桁架落地 形似露珠 内圈和外圈铺设玻璃面板 中间部分基本为金属板 但在V型桁架之间交替铺设玻璃和金属板 46 五 北京老山奥运自行车馆 屋盖结构采用双层球面网壳结构 网壳跨度133 06m 沿周边外挑8 238m 矢高14 69m 总投影面积约17000m2 网壳通过24对人字型柱支承于沿周边均匀分布的24根钢筋混凝土柱柱顶 人字型柱柱顶设置钢结构圈梁 利用网壳外挑部分设置圈梁桁架 钢筋混凝土柱柱顶标高 7 15m 网壳最高点标高 35 49m 网壳采用四角锥网格 最大网格尺寸为4 96m 4 24m 厚度2 8m 47 六 2008年奥运会篮球馆 五棵松 屋盖结构平面120m 120m采用双向正交正放桁架组成的网架 网格一般为12m 支于周边20根混凝土柱上 并在四边柱向共设八道交叉支撑 檐高37 3m 杆件截面为箱形和H型 钢材为Q345C