大跨屋盖结构的形式与计算要点

钢结构普通高等学校土建学科专业“十一五”规划教材下册房屋钢结构设计陈绍蕃主编中国建筑工业出版社第3章大跨屋盖结构第3章大跨屋盖结构

大跨屋盖结构体系网架的形式网架计算要点网架的设计主要内容：重点：网架的形式网架的设计（杆件和节点）第3章大跨屋盖结构3.1结构形式平面结构体系梁式结构（平面桁架、空间桁架），平面刚架和拱式结构空间结构体系平板网架结构，网壳结构，悬索结构，斜拉结构，张拉整体结构等刚架结构

第3章大跨屋盖结构第3章大跨屋盖结构3.2网架的形式按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架

(a)(b)

上弦

腹杆

下弦

下弦中弦

上腹杆

下腹杆

上弦第3章大跨屋盖结构网架结构几何不变的必要条件：

W=3J-m-r≤0几何可变体系的判断：

[K]中对角线上出现零元素

|K|=0

3.2.1网架结构的几何不变性分析第3章大跨屋盖结构平面桁架系网架两向正交正放网架两向正交斜放网架三向网架

3.2.2双层网架常用的形式特点：由平面桁架相互交叉所组成，其上、下弦杆长度相等，杆件类型少，且上、下弦杆和腹杆在同一平面内。一般应使斜腹杆受拉，竖杆受压。斜腹杆与弦杆间的夹角宜在40°～60°之间

第3章大跨屋盖结构两向正交正放网架两向正交正方由两组分别与边界平行的平面桁架互成90°交叉组成。同一方向的各平面桁架长度一致第3章大跨屋盖结构两向正交斜放网架两向正交斜放短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利。角部产生拔力，常取无角部形式。比正交正放网架空间刚度大，受力均匀，用钢省。适用于建筑平面为矩形的情况。第3章大跨屋盖结构两向正交斜放网架两向正交斜放几何不变体系，网架空间刚度大，受力性能好，内力分布也较均匀。杆件数量多，节点构造比较复杂。三向网架适用于大跨度且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形的情况。

第3章大跨屋盖盖结构四角锥体系网网架正放四角锥网网架正放抽空四角角锥网架棋盘形四角锥锥网架斜放四角锥网架星形四角锥网架第3章大跨屋盖结构构正放四角锥网架正放四角锥网架杆件受力较均匀，，空间刚度比其它它类型的四角锥网网架及两向网架好好。适用于建筑平平面接近正方形的的周边支承及点支支承情况。第3章大跨屋盖结构构正放抽空四角锥网网架两向正交斜放周边网格锥体不动动外，跳格地抽掉掉一些四角锥单元元中的腹杆和下弦弦杆，使下弦网格格尺寸扩大一倍。。适用于中、小跨跨度或屋面荷载较较轻的周边支承、、点支承以及周边边支承与点支承结结合的网架。第3章大跨屋盖结构构棋盘形四角锥网架架棋盘形四角锥网架架正放四角锥网架周周边四角锥不变，，中间四角锥间隔隔抽空，下弦杆呈呈正交斜放，上弦弦杆呈正交正放。。克服了斜放四角角锥网架屋面板类类型多，屋面组织织排水较困难的缺缺点。适用于中、、小跨度周边支承承方形或接近方形形平面的网架。第3章大跨跨屋盖结结构斜放四角角锥网架架斜放四角角锥网架架受力合理理，杆件件数量少少，屋面面板类型型多，屋屋面组织织排水较较困难。。适用于于中、小小跨度周周边支承承，或周周边支承承与点支支承相结结合的矩矩形平面面情况。。第3章大跨跨屋盖结结构星形四角角锥网架架星形四角角锥网架架将四角锥锥底面的的四杆换换为十字字交叉杆杆,并加中竖竖杆形成成。适用用于中、、小跨度度周边支支承方形形或接近近方形平平面的网网架。第3章大跨跨屋盖结结构三角锥体体系网架架三角锥网网架抽空三角角锥网架架蜂窝形三三角锥网网架第3章大跨跨屋盖结结构三角锥网网架三角锥网网架上、下弦弦平面均均为三角角形网格格。杆件件受力均均匀，本本身为几几何不变变体，整整体抗扭扭、抗弯弯刚度好好。适用用于大中中跨度及及重屋盖盖建筑物物，当建建筑平面面为三角角形、六六边形和和圆形时时最为适适宜。第3章大跨跨屋盖结结构抽空三角角锥网架架抽空三角角锥网架架抽去部分三角角锥单元的腹腹杆和下弦杆杆。下弦杆内内力较大，用用钢量省，但但空间刚度较较三角锥网架架小。适用于于中、小跨度度的三角形、、六边形和圆圆形等平面的的建筑。第3章大跨屋盖盖结构蜂窝形三角锥锥网架蜂窝形三角锥锥网架上弦为正三角角形和正六边边形网格，下下弦为正六边边形网格。本本身几何可变变。其上弦杆杆短，下弦杆杆长，受力合合理。适用于于中、小跨度度周边支承的的情况，可用用于六边形、、圆形或矩形形平面。第3章大跨屋盖盖结构大跨度为60m以上中跨度为30～60m小跨度为30m以下3.2.3网架选型根据建筑平面面形状和跨度度大小，支承承方式、荷载载大小、屋面面构造和材料料、制作安装装方法等因素素。《网架结构设计计与施工规程程》JGJ7-91第3章大跨屋盖盖结构网架结构的支支承周边支承点支承周边支承与点点支承相结合合两边和三边支支承等第3章大跨屋盖盖结构网架结构的支支承周边支承第3章大跨屋盖盖结构网架结构的支支承点支承第3章大跨屋盖盖结构网架结构的支支承周边支承和点点支承结合第3章大跨屋盖盖结构网架高度及网网格尺寸：网架的高度与与屋面荷载、、跨度、平面面形状、支承承条件及设备备管道等因素素有关。第3章大跨屋盖盖结构网架的挠度要要求及屋面排排水坡度用小立柱起拱网架屋面找坡坡找坡立柱容许挠度：用用作屋盖—L2/250，用作楼盖—L2/300排水坡度：3%～5%起拱要求：L2/300第3章大跨屋盖盖结构3.3网架的计算要要点满足《网架结构设计计与施工规程程》JGJ7-91的规定对使用阶段荷荷载作用下的的内力和位移移进行计算，，并应根据具具体情况对地地震作用、温温度变化、支支座沉降等间间接作用及施施工安装荷载载引起的内力力和位移进行行计算。永久荷载：①①网架自重；；②屋面（或或楼面）材料料重力；③吊吊顶材料的重重力；④设备备管道的重力力。3.3.1直接作用（荷荷载）和间接接作用第3章大跨屋盖盖结构可变荷载：活活荷载、雪荷荷载、积灰荷荷载、风荷载载及吊车荷载载抗震验算：竖向抗震验算算：设防烈度度为8度或9度的地区，周周边支承及多多点支承和周周边支承相结结合的网架屋屋盖水平抗震验算算：在抗震设设防烈度为8度的地区，对对于周边支承承的中小跨度度网架可不进进行水平抗震震验算；在抗抗震设防烈度度为9度的地区，对对各种网架结结构均应进行行水平抗震验验算第3章大跨屋盖盖结构温度内力：不不计算的条件件①支座节点的的构造允许网网架侧移，且且侧移值不小小于下式的计计算值；②周边支承的的网架，当网网架验算方向向跨度小于40m，且支承结构构为独立柱或或砖壁柱；③在单位力作作用下，柱顶顶位移大于或或等于下式的的计算值第3章大跨屋盖盖结构荷载及荷载效效应组合：：对非抗震设计计，《建筑结构荷载载规范》GB50009；对抗震设计，，《建筑抗震设计计规范》GB50011需要计算温度度应力时，采采用空间桁架架位移法，或或近似计算方方法：第3章大跨屋盖盖结构空间桁架位移移法（空间杆杆系有限元法法）交叉梁系差分分法是一种简简化计算方法法拟夹层板法是是又一种简化化计算方法假想弯矩法也也属简化计算算方法3.3.2网架内力分析析方法按弹性阶段计计算第3章大跨屋盖盖结构3.4空间杆系有限限元法方法介绍：以网架的杆件件为基本单元元，以节点位位移为基本未未知量。先由由杆件内力与与节点位移之之间的关系建建立单元刚度度矩阵，然后后根据各节点点平衡及变形形协调条件建建立结构的节节点荷载和节节点位移间关关系，形成结结构总刚度矩矩阵和总刚度度方程。总刚刚度方程是以以节点位移为为未知量的线线性方程组。。引入边界条条件后，求解解出各节点位位移值。最后后由杆件单元元内力与节点点位移间关系系求出杆件内内力。第3章大跨屋盖盖结构网架的节点为为空间铰接节节点，杆件只只承受轴力；；结构材料为完完全弹性，在在荷载作用下下网架变形很很小，符合小小变形理论。3.4.1基本假定第3章大跨屋盖盖结构单元刚度矩阵阵空间杆系有限限单元：每个个杆6个自由度3.4.2空间杆系有限限元法要点对应6个杆端力它们之间的关关系是第3章大跨屋盖盖结构式中即单元刚度度矩阵。和和结构力学学的矩阵位位移法一致致，只是相相应于剪力力的各项均均为零第3章大跨屋屋盖结构坐标转换杆单元在整整体坐标系系中的位置置第3章大跨屋屋盖结构坐标转换矩矩阵[T]为第3章大跨屋屋盖结构结构总刚度度矩阵及总总刚度方程程结构总刚矩矩阵中边界界条件的处处理方法位移为零：：划行划列列法和乘大大数法。.弹性约束：：将弹簧刚刚度K0叠加到总刚刚矩阵中对对应的主对对角元上。。指定位移：：主对角元元和右端项项乘以大数数R第3章大跨屋屋盖结构网架的边界界条件及对对称性利用用当网架结构构（包括支支座）和外外荷载有n个对称面时时，可利用用对称条件件只分析网网架的1/(2n)。对称面内各各杆件的截截面积应取取原截面面面积的一半半，n个对称面交交线上的中中心竖杆，，其截面面面积应取原原截面面积积的1/(2n)。在对称荷荷载作用下下，对称面面内网架节节点的反对对称位移为为零；在反反对称荷载载作用下，，对称面内内网架节点点的对称位位移应取为为零。第3章大跨屋屋盖结构结构斜边界界处理根据边界点点的位移情情况设置具具有一定截截面积的附附加杆对斜边界上上的节点位位移做坐标标变换杆件内力展开为第3章大跨屋屋盖结构计算简图，，对节点和和杆件进行行编号；计算杆件单单元长度及及杆件与整整体坐标轴轴夹角余弦弦；初选各杆的的截面积；；建立局部和和整体坐标标系下的单单元刚度矩矩阵；集合总刚矩矩阵，采用用变带宽一一维存贮方方式；建立荷载列列阵；引入边界条条件对总刚刚度方程进进行处理；；求解总刚度度方程，得得出各节点点位移值；；根据节点位位移计算杆杆件内力；；按杆件内力力调整杆件件截面，并并重新计算算，迭代次次数宜不超超过4～5次。3.4.3空间杆系有限元元法计算步骤第3章大跨屋盖结结构3.5网架杆件设计截面钢管、热轧型钢钢和冷弯薄壁型型钢计算长度（l为杆件几何长度度）杆件节点螺栓球焊接空心球板节点弦杆及支座腹杆l0.9ll其它腹杆l0.8l0.8l网架杆间计算长长度l0第3章大跨屋盖结结构容许长细比（1）受压杆件：[]=180（2）受拉杆件：一般杆件---------------[]=400支座附近处杆件件---------[]=300直接承受动力荷荷载杆件---[]=250第3章大跨屋盖结结构3.5节点设计形式：焊接空心球节点点(P.121,图3-30)螺栓球节点(P.123,图3-34)焊接钢板节点(P.128,图3-43)焊接钢管节点(P.120,图3-28)杆件直接汇交节节点(P.120,图3-29)第3章大跨屋盖结结构D＝（d1＋d2＋2a）/θ3.6.1焊接空心球节点点空心球节点杆件件间缝隙第3章大跨屋盖结结构焊接空心球节点点构造第3章大跨屋盖结结构焊接空心球节点点构造第3章大跨屋盖结结构3.6.2螺栓球节点螺栓球连接节点点图示第3章大跨屋盖结结构钢球尺寸螺栓不碰要求：套筒接触面要求求：钢球直径取式以以上两式的较大大值。第3章大跨屋盖结结构当相邻两杆夹角角θ＜30°时，还要保证相相邻两根杆件（（管端为封板））不相碰要求：：第3章大跨屋盖结结构螺栓尺寸第3章大跨屋盖结结构3.6.3焊接钢板节点焊接钢板节点第3章大跨屋盖结结构3.6.4支座节点角位移受到很大大的约束，只适适用于较小跨度度网架平板压力或拉力力支座第3章大跨屋盖结结构角位移未受约束束，适用于中小小跨度网架单面弧弧形压压力支支座第3章大大跨屋屋盖结结构适用于于较大大跨度度网架架。在在承受受拉力力的锚锚栓附附近应应设加加劲肋肋以增增强节节点刚刚度单面弧弧形拉拉力支支座第3章大大跨屋屋盖结结构支座和和底板板间设设有弧弧形块块，上上下面面都是是柱面面，支支座既既可转转动又又可平平移双面弧弧形拉拉力支支座第3章大大跨屋屋盖结结构只能转转动而而不能能平移移，适适用于于多支支点支支承的的大跨跨度网网架球铰压压力支支座第3章大大跨屋屋盖结结构通过橡橡胶垫垫的压压缩和和剪切切变形形，支支座既既可转转动又又可平平移。。如果果在一一个方方向加加限制制，支支座为为单向向可侧侧移式式，否否则为为两向向可侧侧移式式板式橡橡胶支支座第3章大大跨屋屋盖结结构3.7网壳按组成成层数数分：：单层层网壳壳和双双层网网壳按曲面面外形形：球球面网网壳、、柱面面网壳壳、双双曲扁扁网壳壳、扭扭曲面面网壳壳、单单块扭扭网壳壳、双双曲抛抛物面面网壳壳，以以及