大跨度房屋结构-钢结构第8章（PPT63）

本章目录基本要求8.1平面承重的大大跨屋盖结构构8.2空间网架屋盖盖结构8.3悬挂式屋盖简简介1.了解平面承重重的大跨屋盖盖结构的分类类和构造特点点。2.了解空间网架架屋盖结构的的特性和组成成分类。3.了解悬挂式屋屋盖结构的布布置形式。大跨度房屋结结构常用于公公共建筑。如如会堂、影剧剧院、展览馆馆、音乐厅、、体育馆、加加盖体育场、、市场、火车车站、航空港港等。也用于工业业建筑，特特别是在航航空工业和和造船工业业中，如飞飞机制造厂厂的总装配配车间、飞飞机库、造造船厂的船船体结构车车间等。大跨度建筑筑物的用途途、其使用用条件以及及对其建筑筑造型方面面要求的差差异性，决决定了采用用结构方案案的多样性性。可采用梁式、框架式、拱拱式、空间式以及悬挂-悬索式的结构。图8.0.1图8.0.2图8.0.3图8.0.4飞机库梁式结构950110073.8477004500087500图8.0.5图8.0.6图8.0.7郑州碧波园娱乐中心空间拱形屋盖结构（建筑平面80m×80m）40,00021,500320001600032000800002800500012500图8.0.8上海国际体操中心主体育馆铝穹顶下沉式碗形气楼铝合金三角板铝合金穹顶构架遮雨板披水板铝墙板以及采光窗图8.0.9海南美兰机场库机库网架与拉杆拱架结构100005000500022000±0.00022.000预应力混凝土长梁115000图8.0.10首都机场三三号航站楼楼图8.0.11日本名古屋屋网壳穹顶顶第8.1节平面承承重的大跨跨屋盖结构构1.梁式大跨结结构2.框架结构3.拱式结构了解大跨屋屋盖结构分分类方法与与应用本节目录基本要求应用：通常采用用简支桁架架作为主要要承重构件件。其上、、下弦及腹腹杆仅承受受拉力或压压力，对支支座也没有有横推力。。重点是支撑系统的布置，对对保证整个个结构体系系的整体刚刚度是非常常重要的。。优点：制造与安安装较为简简单。常用体系：大跨度屋盖盖、预应力三角角形截面桁桁架适用跨度：4060m，更大的跨度度由于耗钢钢量过大而而不经济。。8.1.1梁式大跨结结构◆预应力三角角形截面桁桁架预应力三角角形截面桁桁架便于制制造、运输输和安装，，给设置大大跨度梁式式结构体系系以良好基基础。(a)图8.1.1铺设于屋架架上的钢筋筋混凝土屋屋面板可参参与共同受受压，采用用管材(方管、圆管管)杆件以及施施加预应力力这三个方方面使得这这种结构体体系钢材用用量比较经经济。(b)钢筋混凝土屋面板拉杆三角形屋架6m(c)钢筋混凝土屋面板24~30m(d)钢筋混凝土屋面板18~24m玻璃窗图8.1.2两铰框架：对温度作用不敏感，刚度较差无铰框架：刚度好，用钢量省、便于安装，但对基础要求较高实腹框架：用工量少，可装运性好，还能降低房屋高度。

格构框架：当跨度大于60m时，实腹式框架不太经济，此时可采用格构式，最大可做到150m。8.1.2框架结构8.1.2.1框架的体系系及形式8.1.2.2计算原则及及构造特点点◆计算原则格构式普通通框架可以以折算成与与其等效的的实腹框架架。重型的格构构式框架按按格构式体体系考虑全全部腹杆的的变形进行行计算。大跨框架的的挠度仅用用可变荷载载求得，永永久荷载产产生的挠度度由相应的的结构起拱拱来抵消。。当跨度大于于50m且刚性柱(支座)不高时，须须计入框架架的温度应应力。两铰铰框架中，，框架柱可可以做成沿沿高度变截截面形式，，这样能减减轻结构自自重并具有有较好的外外观。当杆件内力力大于等于于2000kN时，应按重重型桁架设设计，杆件件截面通常常设计成双双腹杆的。。当支座反力力大于2500～3000kN时，框架的的支座应设设计成辊轴轴式；反力力较小时，，可设计成成平板式。。◆构造特点在双铰框架架结构中,为减小横梁梁中部的弯弯矩,可采用图中中使横梁卸卸载的做法法。O悬挂墙(a)RRe(b)图8.1.3横梁与柱连连接的框架架节点内角角弯折处应应做成平缓缓曲线以避避免应力集集中。为使使转角处腹腹板不致失失稳，应在在其内部受受压区设置置短加劲肋肋。图8.1.4（a）（b）8.1.3拱式结构8.1.3.1拱的体系及及形式（1）拱的形式式有：两铰铰拱、三铰铰拱、无铰铰拱。拱式式体系用钢钢量比梁式式体系及框框架体系经经济。两铰拱：安安装和制造造简单。因因为铰可自自由转动的的特性，两两铰拱易于于适应变形形。三铰拱：与与两铰拱相相比无突出出的优点，，拱钥铰还还使拱本身身结构及屋屋面设置复复杂化。两铰拱lf(a)三铰拱lf(b)无铰拱lf(c)图8.1.5①设置拉杆杆对于软弱地地基的情况况，设置拉拉杆承担拱拱的横向水水平力更为为合适。设设有拉杆的的拱其支座座主要承受受垂直荷载载，故这种种情况下支支座比较轻轻巧。无铰拱：对对于弯矩沿沿跨度的分分配最为有有利，但必必须设置强强大的基础础，而且要要计算温度度的作用。。（2）水平推力力的解决措措施：拱支承在墙墙体上时，，横向反力力也可用在在支座铰水水平处设置置拉杆的办办法加以解解决。为了了在不增加加房屋高度度的情况下下增大房间间的有效高高度，有时时将拉杆布布置于拱支支座铰水平平之上。②设置拱扶壁壁在加盖的体体育场、展展览馆以及及飞机库里里，拱的支支座常常是是房屋的墙墙体、看台台等。没有有横墙或看看台的情况况下则要求求设置拱扶扶壁以承受受拱的水平平推力。图8.1.6设置抬高拉杆的拱拉杆±0.05505501670017800（3）拱外形：：——接近压力曲曲线抛物线拱：当对称的、、沿拱弦线线均布的荷荷载值起主主要作用时时最为合适。圆弧拱：适于扁平拱,可以简化拱拱的设计与与制造，使使拱构件及及节点达到到最大标准化。悬链线拱：适于自重很大的的高拱。高高拱中风荷荷载引起很很大的内力力，而且风风荷载有可可能自两面面作用并给给出两条截截然离散的的风压线。。此时拱的的外形宜取取两条极端端风压曲线线的中间线线。8.1.3.2拱的构造特特点◆拱截面分实实腹式和桁桁架式两种种，一般为为等截面。。拱身所受受弯矩较小小，因而截截面高度不不大，实腹腹式可取1/50-1/80，桁架式可可取1/30-1/60。◆拱截面可采采用H型钢、双角角钢、T型钢、槽钢钢、圆钢管管和方钢管管等。◆格构拱的腹腹杆可设计计成附加竖竖杆的三角角体系、无无附加竖杆杆的三角形形体系及斜斜腹杆体系系。（如下下图）图8.1.7格构拱构造方案α运输单元主檩运输单元主檩安装节点(a)(b)(c)实腹式拱与与格构式拱拱的支座铰铰具有相同同的结构。。常用的支支座铰的形形式如下。。

图8.1.8拱与框架的支座(铰)节点平板(铰)支座节点辊轴(铰)支座节点8.1.3.3拱的计算特特点◆风荷载是拱拱结构计算算中一项非非常重要的的荷载。特特别应注意意风吸力对对拱结构的的影响，还还应考虑侧侧风压或端端风压作用用在建筑物物上的情况况。◆拱本身作为为受压曲杆杆，需要验验算强度和和稳定。拱拱出平面的的稳定，由由横向支撑撑及檩条体体系提供保保证。◆拱在弯矩作作用平面外外的刚度如如果与平面面内相差很很大，应按按压弯杆件件验算平面面外的稳定定。第8.2节空间网网架屋盖结结构本节目录基本要求1.空间结构及及特性2.平板式空间间网架的形形式3.网架结构设设计特点了解空间网网架屋盖结结构的特性性和平板式式网架的设设计特点。。空间网架结结构是由许许多杆件按按照一定规规律布置通通过节点连连接而成的的网格状结结构体系。。常将平板板型的空间间网架结构构称做网架架，将曲型型的空间网网架结构称称做网壳。。目前空间间结构中以以网架结构构在我国发发展最快,应用最广。。空间结构体系网架及网壳结构悬索结构膜结构8.2.1空间结构及及特性空间结构体体系8.2.1.1优越的力学学性能◆整体受力，，共同工作作。以整个个结构的形形体来承受受外荷载，，按照空间间的几何特特性分担承承受荷载任任务，没有有平面结构构体系中构构件之间那那种主次关关系。◆空间受力，，高次超静静定。在荷荷载作用下下为三向受受力，并以以面内力或或轴力为主主。◆具有良好的的抗震性能能。◆跨越能力大大。空间结构特特性8.2.1.2良好的经济济型、安全全性与适用用性◆整体受力性性能好，传传力路线简简洁、可靠靠，故可节节约大量建建筑材料，，经济效果果好。◆高次超静定定结构，内内力重分布布可使其具具有额外的的安全储备备，可靠程程度较高。。◆适应不同跨跨度、不同同支承条件件的各种建建筑要求。同时时，建筑造造型轻巧、、美观、便便于建筑处处理和装饰饰等。◆杆件主要承承受轴向力力，能充分分发挥材材料的强度度。8.2.2平板式空间间网架的形形式网架结构形形式较多，，其分类类有不同标标准。1.按结构组成成分类双层网架三层网架周边支承网架点支承网架周边支承与点支承网架三边支承或两边支承网架2.按支承情况况分类图8.2.1周边支承网架网格宽度与柱距一致图8.2.2点支承网架四点支承网架多点支承网架图8.2.4三边支承网架图8.2.3周边支承与点支承混合网架图8.2.5两边支承网架3.按网网格格组组成成分分类类两向正交正放网架两向正交斜放网架三向网架交叉桁架体系四角锥体系正放四角锥体系正放抽空四角锥网架斜放四角锥网架(1)交叉叉桁桁架架体体系系这类类网网架架由由若若干干相相互互交交叉叉的的竖竖向向平平面面桁桁架架所所组组成成。。竖竖向向平平面面桁桁架架的的形形式式与与一一般般平平面面桁桁架架相相似似。。桁桁架架的的节节间间长长度度即即为为网网格格尺尺寸寸。。这这些些平平面面桁桁架架可可沿沿两两个个方方向向或或三三个个方方向向布布置置，，当当为为两两向向交交叉叉时时其其交交角角可可为为90°（正正交交)或任任意意角角度度(斜交交)；当当为为三三向向交交叉叉时时其其交交角角为为60°。这这些些相相互互交交叉叉的的竖竖向向平平面面桁桁架架当当与与边边界界方方向向平平行行(或垂垂直直)时称称为为正正放放，，与与边边界界方方向向斜斜交交时时称称为为斜斜放放。。桁架架之之间间交交角角的的变变化化和和边边界界相相对对位位置置的的不不同同，，使使得得有有下下面面的的网网架架形形式式。。◆两向向正正交交正正放放网网架架两向向正正交交正正放放网网架架的的构构成成特特点点是是：：两两个个方方向向的的竖竖向向平平面面桁桁架架垂垂直直交交叉叉，，且且分分别别与与边边界界方方向向平平行行。。图8.2.6◆两向向正正交交斜斜放放网网架架两向向正正交交斜斜放放网网架架的的构构成成特特点点是是：：两两个个方方向向的的竖竖向向平平面面桁桁架架垂垂直直交交叉叉，，是是与与边边界界成成45°夹角角。。(a)(b)图8.2.7◆三向向网网架架三向向网网架架的的构构成成特特点点是是：：三三个个方方向向的的竖竖向向平平面面桁桁架架互互成成60°角斜斜向向交交叉叉。。lh图8.2.8（2）四四角角锥锥体体系系网网架架正放放四四角角锥锥网网架架：以倒倒四四角角锥锥体体为为组组成成单单元元，，锥锥底底的的四四边边为为网网架架的的上上弦弦杆杆，，锥锥棱棱为为腹腹杆杆，，各各锥锥顶顶相相连连即即为为下下弦弦杆杆，，它它的的上上、、下下弦弦杆杆均均与与相相应应边边界界平平行行。。图8.2.9正放放抽抽空空四四角角锥锥网网架架：在正正放放四四角角锥锥网网架架的的基基础础上上，，除除周周边边网网格格不不动动外外，，适适当当抽抽掉掉一一些些四四角角锥锥单单元元中中的的腹腹杆杆和和下下弦弦杆杆，，使使下下弦弦网网格格尺尺寸寸比比上上弦弦网网格格尺尺寸寸大大一一倍倍。。图8.2.10斜放放四四角角锥锥网网架架：以倒倒四四角角锥锥体体为为组组成成单单元元，，由由锥锥底底构构成成的的上上弦弦杆杆与与边边界界成成45°夹角角，，而而连连接接各各锥锥顶顶的的下下弦弦杆杆则则与与相相应应边边界界平平行行。。因因此此，，它它的的上上弦弦网网格格呈呈正正交交斜斜放放，，下下弦弦网网格格呈呈正正交交正正放放。。图8.2.11（1）一一般般计计算算原原则则网架架结结构构的的设设计计计计算算应应遵遵循循现现行行有有关关国国家家或或行行业业标标准准的的规规定定。。包包括括：：◆《建筑结构荷载载规范》GB50009-2001◆《建筑抗震设计计规范》GB50011-2001◆《钢结构设计规规范》GB50017-2003◆《冷弯薄壁型钢钢结构技术规规范》GB50018-2002◆《网架结构设计计与施工规程程》JGJ7-918.2.3网架结构的设设计特点8.2.3.1计算方法要点点（2）计算方法及及其特点根据需要可采采用精确法或或近似。◆空间桁架架位移法法，又称矩阵阵位移法法。其计计算过程程在结构构力学中中有过介介绍，即即该法以以杆件为为基本单单元，以以节点三三个线位位移为基基本未知知量。先先进行单单元分析析，得到到单元刚刚度矩阵阵，后进进行整体体分析，，得到结结构总刚刚度矩阵阵和结构构总刚度度方程。。再引进进边界条条件求得得各杆件件内力N。求得各各杆件内内力N后,按照本书书前述轴轴心受力力构件一一章的内内容进行行设计验验算。空空间桁架架位移法法计算较较精确，，且适用用范围广广泛。◆差分法与与拟夹层层板法。。差分法经经惯性矩矩折算，，将网架架简化为为交叉梁梁系进行行差分计计算,它适用于于跨度L≤40m由平面桁桁架系组组成的网网架、正正放四角角锥网架架。一般般按图表表计算，，误差≤20％。拟夹层板板法将网网架简化化成正交交异性或或者各向向同性的的平板进进行计算算，它适适用于跨跨度L≤40m由平面桁桁架系或或角锥体体组成的的网架。。一般按按图表计计算，误误差≤10％。8.2.3.2一般设计计规定（1）选型网架结构构设计首首先要选选型，通通常是根根据工程程的平面面形状、、跨度大大小、支支承情况况、荷载载大小、、屋面构构造、建建筑设计等诸诸因素，，结合以以往的工工程经验验综合确确定。网网架杆件件的布置置必须保保证不出出现结构构几何可可变的情情况。（2）网格尺尺寸和网网架高度度标准网格格多采用用正方形形，但也也采用长长方形，，网格尺尺寸可取取(1/6～1/20)L2，网架高度度(也称为网网架矢高高)H可取(1/10一1/20)L2，L2为网架的的短向跨跨度。具体尺寸寸和高度度可根据据网架形形式、跨跨度大小小、屋面面材料以以及构造造要求和和建筑功功能等因因素确定定。（1/14~1/20）L2（1/12~1/20）L2＞60m（1/2~1/16）L2（1/10~1/16）L230m~60m（1/10~1/14）

L2（1/6~1/12）L2＜30m网架高度H上弦网格尺寸网架的短向跨度（L2）表1网格尺寸、网架高度建议值（3）网架结结构体系系的屋面面目前，采采用得较较多的是是有檩体体系与轻轻质屋面面相结合合的方案案。各种种混凝土土屋面板板、钢丝丝网水泥泥板用于于无檩体体系中，，采用已已越来越越少。（4）网架杆杆件①截面以以圆钢管管性能最最优，使使用最广广泛。②材料通通常选用用Q235系列或者者Q345系列钢材材。③杆件的的计算长长度l0：对螺栓球球节点网网架(因节点接接近于铰铰接)，其杆件件的计算算长度l0取等于杆杆件的几几何长度度l。对焊接球球节点网网架，其其弦杆及及支座腹腹杆取l0＝0.9l,而其余腹杆取l0＝0.8l。④杆件的的长细比比限值[λ]对受压秆秆件，其其长细比比限值[λ]＝180；对受拉杆杆件支座座处及支支座附近近的杆件件长细比比限值[λ]＝300、一般杆件件[λ]＝400，直接承受受动力荷荷载的杆杆件[λ]＝250。⑤杆件最最小截面面规格为了保证网架架杆件的承载载力并使其具具有必要的刚刚度，限制杆杆件的截面规规格不得小于于钢管Φ48×2，角钢L50×3（5）网架节点设设计与构造要要点网架节点有：：焊接钢板节节点、焊接空空心球节点、、螺栓球节点点、焊接短钢钢管节点等形形式。节点的重量一一般为网架总总重量的20％～25％，所占比重较大大，因节点破破坏而造成工工程事故的例例子不少，所所以应于充分分重视。①焊接空心球球节点空心球可分为为不加肋和加加肋两种，如如下图所示。。所用材料为为Q235钢或Q345钢。当球直径径设计为D时，用下料为为1.414D直径的圆板经经压制成型做做成半球，再再由两个半球球对焊而成。。这种节点适用用于连接钢管管杆件，被广广泛应用。节节点构造是将将钢管杆件直直接焊接连接接于空心球体体上，具有自自动对中和““万向”性质质，因而适应应性很强。D(a)D/3~D/2D(b)图8.2.12直径D为120～500mm的焊接空心球球，其承载力力设计值Nc(受压球)和Nt(受拉球)可分别按下式式计算：D——空心球外径(mm)；t——空心球壁厚(mm)；d——钢管外径(mm)；f——钢管材料强度度设计值(N／mm2)；ηc——受压空心球加加肋承强力提提高系数，加加肋ηc=1.4，不加肋ηc=1.0；ηt受拉空心球加加肋承强力提提高系数，加加肋ηt=1.1,不加肋ηt=1.0。空心球外径D与壁厚t的比值可按设设计要求选用用，一般取D＝(25～45)t；空心球壁厚t与钢管最大壁壁厚的比值宜宜为1.2～2.0。另外,空心球壁厚t不宜小于4mm。在确定空心球球外径时，球球面上网架相相连接杆件与与杆件之间的的缝隙a不宜小于10mm。为了保证缝隙隙a，空心球直径也也可初步按下下式估算：D＝(d1+d2+2a)/θ式中:θ—汇集于空心球球节点任意两两钢管杆件间的夹角(rad)；d1,d2—组成θ角的钢管外径径(mm)；a—d1与d2两钢管间净距离，一般般a≥10mm.②螺栓球节点点螺栓球节点由由螺栓、钢球球、销子(或止紧螺钉)、套筒和锥头头或封板组成成，如下图,适用于连接钢钢管杆件。钢球螺栓套筒帷头销子封板a1aa1l图8.2.13螺栓是节点中中最关键的传传力部件，在在同一网架中中，连接弦杆杆所采用的高高强度螺栓可可采用同一直直径，而连接接腹杆的可采采用同一直径径。在小跨度度的轻型网架架中，连接球球体的弦杆和和腹杆可以采采用同一规格格的直径。螺螺栓直径一般般由网架中最最大受拉杆件件的内力控制制，一个螺栓栓受拉承载力力设计值按下下式计算：

——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