大跨建筑结构大跨平面结构分析

1、大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会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、加盖体育堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育 场、航空港等。场、航空港等。 大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的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。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。机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定

2、的。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 展览馆展览馆 大跨建筑结构大跨平面结构分析 日本大分体育公园综合竞技场 大跨建筑结构大跨平面结构分析 伦敦千年穹顶 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家 标准标准钢结构设计规范钢结构设计规范、网架结构设计与施工网架结构设计与施工 规程规程将将6060m以上定义为以上定义为大跨度结构，计算和构造大跨度结构，计算和构造 均有特殊规定。我国目前最大跨度做到均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340340m，以，以 钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。

3、大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛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。料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 平面结构体系平面结构体系 梁式体系梁式体系 框架式体系框架式体系 拱式体系拱式体系 空间结构体系空间结构体系 实体结构类：薄壳、折板结构实体结构类：薄壳、折板结构 张力结构类：悬索结构、膜结构张力结构类：悬索结构、膜结构 混合

4、结构类混合结构类 网格结构类：网架及网壳结构网格结构类：网架及网壳结构 大跨建筑结构大跨平面结构分析 梁式结构体系一般采用简支桁架的形式，桁架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。杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。 适用跨度：适用跨度：4040 6060m，更大的跨度由于耗钢量，更大的跨度由于耗钢量 过大而不经济。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。的整体刚度是非常重要的

5、。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨度梁式结构的外形及腹杆体系，决定于跨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和拱形桁架。按重量最优确定的桁架的高跨比一般 为为1/61/61/81/8。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 常用形式：常用形式： （1 1）角钢（或）角钢（或T型钢）桁架型钢）桁架 （2） H型钢重型桁架型钢重型桁架* （3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）钢管桁架（圆钢管或矩形管）* 桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于桁架设计的难点在节点和支座，跨度

6、大于3535 4040m时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的，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。力一般由屋架下弦的弹性变形产生。* * 大跨建筑结构大跨平面结构分析 上海证券大厦上海证券大厦 连接两幢主楼连接两幢主楼 的天桥桁架跨度的天桥桁架跨度 63m，共支承着从，共支承着从 17层至层至26层共层共8个个 楼层，采用了楼层，采用了H型型 钢重型桁架。钢重型桁架。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 上海浦东国际机场 大跨建筑结构大跨平面结构分析 上海浦东国际机场候机

7、楼屋架梁跨度上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m，跨，跨 中高度超过中高度超过11m，单榀屋架梁重，单榀屋架梁重55吨。吨。 为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架梁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。一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 一般用节点板连接，过去采用的方法是按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，当受力较复弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚，当

8、受力较复 杂时不可靠。国外有些规范（如美国杂时不可靠。国外有些规范（如美国AISC规范）规规范）规 定需进行计算。定需进行计算。 88规范后的规范后的9090年代，重庆钢铁设计研究院会同云年代，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，其中受拉试件的试验，其中受拉试件1616个，受压试件个，受压试件8 8个。从而总个。从而总 结出结出用撕裂面法推导出来的公式用撕裂面法推导出来的公式。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些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

9、架还需要计算节点板的疲劳，用撕裂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。度法进行承载力计算。 有效宽度法假定腹杆轴力有效宽度法假定腹杆轴力通过连接件在节点板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内按照应力扩散角度传至连接件端部与N 相垂直的一相垂直的一 定宽度范围内，称为有效宽度定宽度范围内，称为有效宽度be 。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 假定假定b be e范

10、围内的节点板应力达范围内的节点板应力达 到到fu，并令，并令betfu=Nu(节点板破坏节点板破坏 时的腹杆轴力时的腹杆轴力) )，按此法拟合的结，按此法拟合的结 果，当应力扩散角果，当应力扩散角 =270时精度最时精度最 高，计算值与试验值的比高，计算值与试验值的比值平均值平均 为为98.9%；当；当 =30 0时，比值为 时，比值为 106.8%，考虑到国外多数国家对，考虑到国外多数国家对 应力扩散角均取为应力扩散角均取为300，为与国际，为与国际 接轨且误差较小，建议取接轨且误差较小，建议取 =300。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、围有效宽度法适用

11、于腹杆与节点板采用侧焊、围 焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉或焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉或 螺栓连接时，螺栓连接时，be应取为有效净宽度）。应取为有效净宽度）。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 桁架节点板厚度选用表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一般的钢结构教科书和手册均列有“桁架节点板桁架节点板 厚度选用表厚度选用表”，但都系互相参考，缺乏科学依据。这，但都系互相参考，缺乏科学依据。这 次该研究组先制作了次该研究组先制作了N- t/b关系表（关系表（N为腹杆最大拉力为腹杆最大拉力 ；t为节点板厚度；为节点板厚度；b为连接肢宽度），反映了侧焊缝为连接肢宽

12、度），反映了侧焊缝 焊脚尺寸焊脚尺寸hf1、hf2的影响。同时又在上述参数组合的最的影响。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不利情况下，重新整理出偏于安全的Nt表。相对来表。相对来 说它比以往的说它比以往的Nt表更符合实际。表更符合实际。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 为保证节点板受压时的稳定，桁架杆件间间隙不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（或自由边有加劲能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲 的节点板）的节点板） ，不能理解为，不能理解为c c 值愈小愈值愈小愈 好。规范规定好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间弦

13、杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间 隙，不应小于隙，不应小于20mm”，是由于间隙过小，焊接残余，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 规定此间隙规定此间隙“不宜小于不宜小于50mm”；同时还规定在工作；同时还规定在工作 温度温度-20 C地区的桁架，为防冷脆，地区的桁架，为防冷脆，“腹杆与弦杆相腹杆与弦杆相 邻焊缝焊趾间净距不宜小于邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t ”。同样，这些规定。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。现矛盾，应妥

14、善处理。 y ftc/23515 大跨建筑结构大跨平面结构分析 随着热轧随着热轧H型钢在我国投产，剖分型钢在我国投产，剖分T型钢用于型钢用于桁桁 架弦杆或腹杆的情况越来越多。架弦杆或腹杆的情况越来越多。T 型钢桁架的优点型钢桁架的优点 是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。 问题：问题： （1 1）节点施工不方便；）节点施工不方便； （2 2）节点构造方式不同，节点内的应力状态更加）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，故规范公式均复杂，同时，对节点受力研究不够，故规范公式均 不适用；不适用； （3 3）板件的局部稳定难以满足规范

15、的规定。）板件的局部稳定难以满足规范的规定。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长，桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长， 以以H型钢作弦杆或腹杆的重型桁架，设计时应注意节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。应进行有限元分析。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 钢管桁架节点受力复杂，原钢管桁架节点受力复杂，原8888规范只有直接焊规范只有直接焊 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

16、桁架节点作了一些试验和分析；哈工对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和分析；哈工 大对直接焊接的方管桁架结构（主管为方管，支管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，为方管或圆管）的节点作了一些试验和分析，钢钢 结构设计规范结构设计规范修订时，其成果已部分纳入。修订时，其成果已部分纳入。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 与梁式结构体系相比，框架式体系比较经济，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。也较大，常用于工业建筑。 框架柱柱脚可以作成铰

17、接，也可以作成刚接。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，对基础及地基的要种框架对温度作用比较敏感，对基础及地基的要 求较高。求较高。 主要有实腹式和格构式两大类。主要有实腹式和格构式两大类。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 （1）实腹式框架结构体系）实腹式框架结构体系 实腹式框架适用于跨度不太大（实腹式框架适用于跨度不太大（L=18=186060m） 的框架结构。它的优点是制作简单、便于运输，还能的框架结构。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

18、脚。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，可取跨度的高度不大，可取跨度的1/301/301/401/40。 在我国得到大力发展的轻型门式刚架结构，是在我国得到大力发展的轻型门式刚架结构，是实实 腹式框架结构体系的一种，其特点是屋盖及墙体均采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。用压型钢板，结构主要承受自身的重量。 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 （1 1） 大跨建

19、筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 当截面全部受压时：当截面全部受压时：he= hw 当截面部分受拉时：当截面部分受拉时：he= h

20、c 大跨建筑结构大跨平面结构分析 cryp f/ cr 85. 0 p 0 . 1 时2 . 18 . 0 p )2 . 1(24. 064. 02 . 1 pb 时 )8 . 0(9 . 01 p y ww cr y p fk th f 2351 .28 / 大跨建筑结构大跨平面结构分析 y ww cr y w fk th f 23537 / 大跨建筑结构大跨平面结构分析 2 ) 1 5 . 0 (1)( d fef V V MMMM 大跨建筑结构大跨平面结构分析 / 2 ) 1 5 . 0 (1)( d N f N e N f V V MMMM N f M N f M 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 f N N W M A N Ex xe mx ex )1 ( 0 0 1 1 0 0 大跨建筑结构大跨平面结构分析 大跨建筑结构大跨平面结构分析 )/( )/( 1 fifi lili hP hP 大跨建筑结构大跨平面结构分析 )( flfl PPPP H P