钢结构第8章 大跨度房屋结构

1、基本要求8.1大跨度平面荷载屋顶结构8.2空间网格屋顶结构8.3悬吊式屋顶简介1。了解平面荷载下大跨度屋盖结构的分类和结构特点。2.了解空间网格屋顶结构的特点和组成分类。3.了解吊顶结构的布局。大跨度建筑结构常用于公共建筑。如大厅、剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、有盖体育场、市场、火车站和机场。它也用于工业建筑，特别是航空工业和造船业，如飞机制造厂的总装车间、机库、造船厂的船体结构车间等。大跨度建筑的使用、使用条件和建筑造型要求的差异决定了所采用的结构方案的多样性。可以采用梁式、框架式、拱形、空间式和悬索式结构。图8.0.1，图8.0.2，图8.0.3，图8.0.5，图8.0.6，图8.0.10

2、，首都机场3号航站楼，图8.0.11，日本名古屋球面网壳，截面8.1，平面承重大跨度屋盖结构，1。梁类型上弦杆、下弦杆和腹杆只承受拉力或压力，轴承上没有横向推力。重点是支撑系统的布置，这对保证整个结构系统的整体刚度非常重要。优点：制造和安装简单。常见体系：大跨度屋盖和预应力三角形截面桁架的适用跨度为4060米，由于用钢量过大，大跨度不经济。8.1.1大跨度梁结构、预应力三角形截面桁架和预应力三角形截面桁架便于制造、运输和安装，为建立大跨度梁结构体系提供了良好的基础。铺设在屋架上的钢筋混凝土屋面板可以参与节点受压。钢管(方管、圆管)构件的使用和预应力的应用使得该结构体系的用钢量更加经济。8.1.

3、2框架结构，8.1.2.1框架体系及形式，8.1.2.2计算原理及结构特点，计算原理，格构式普通框架可转换为其等效的全腹板框架。重型格构框架是根据考虑所有腹杆变形的格构体系计算的。大跨度框架的挠度只能用变荷载计算，永久荷载引起的挠度由相应的结构拱抵消。当跨度大于50m且刚性柱(支撑)不高时，必须考虑框架的温度应力。在双铰框架中，框架柱可以沿高度方向做成变截面的形式，这样可以减轻结构的自重并具有更好的外观。当构件的内力大于或等于2000kN时，应将其设计为重桁架，构件的截面通常设计为双腹板构件。当支架的反作用力大于25003000kN时，框架的支架应设计为滚轴式；当反作用力小时，它可以设计成平板

4、。在双铰链框架结构中，为了减小梁中间的弯矩，可以采用图中卸载梁的方法。为了避免应力集中，应在梁与柱连接的框架接头的内角处形成平缓的曲线。为了防止拐角处的腹板不稳定，应在内部受压区设置短加强筋。8.1.3拱结构、8.1.3.1拱体系和形式，(1)拱形式有：双铰拱、三铰拱和无铰拱。拱系统用钢比梁系统和框架系统用钢更经济。双铰拱：易于安装和制造。因为铰链可以自由旋转，所以具有两个铰链的拱形容易适应变形。三铰拱：与双铰拱相比，它没有突出的优点，拱的关键铰也使拱本身的结构和屋顶设置复杂化。对于软土地基，设置拉杆来承受拱的横向水平力更为合适。系杆拱的支座主要承受竖向荷载，因此这种情况下支座较轻。无铰拱：最

5、有利于弯矩沿跨度的分布，但必须设置牢固的基础，并计算温度的影响。(2)水平推力的求解：当拱支撑在墙上时，侧向反力也可以通过设置来求解拱形扶壁设置在有盖的体育场、展厅和机库中，拱形支撑通常是房屋的墙壁和看台。如果没有横墙或正面看台，拱扶壁需要承受拱的水平推力。(3)拱形：接近压力曲线，抛物线拱：当沿拱弦线均匀分布的对称荷载值起主要作用时最合适。弧形拱：适用于平拱，可以简化拱的设计和制造，使拱构件和节点达到最大限度的标准化。悬链线拱：适用于自重较大的高拱。高拱的风荷载会产生很大的内力，风荷载可能从两侧作用，并产生两条不同的风压线。此时，拱的形状应取两条极限风压曲线的中线。8.1.3.2拱的结构特点

6、是，拱截面分为实心腹式和桁架式，截面一般相等。拱体上的弯矩较小，所以截面高度不大。实心腹式可以是1/50-1 /80，桁架式可以是1 /30- 1 /60。拱形截面可以是工字钢、双角钢、丁字钢、槽钢、圆钢管和方钢管等。格构式拱的腹杆可设计为带附加竖向构件的三角形体系、不带附加竖向构件的三角形体系和斜腹杆体系。(如下图所示)，实腹拱和格构拱的支撑铰结构相同。轴承铰链的常用形式如下。8.1.3.3拱的计算特点，风荷载是拱结构计算中非常重要的荷载。应特别注意风吸力对拱结构的影响，还应考虑侧向风压或端部风压作用于建筑物的情况。拱形本身，作为一个压缩的曲杆，需要检查它的强度和稳定性。拱形平面的稳定性由侧

7、向支撑和檩条系统保证。如果拱在弯矩平面外的刚度与平面内的刚度相差很大，则应压下弯曲杆，检查平面外的稳定性。第8.2节，空间网格屋顶结构，本节内容，基本要求，1。空间结构和特征2。平面空间网格的形式3。网格结构的设计特点，了解空间网格屋顶结构的特点和平面网格的设计特点。空间网格结构是由许多成员按照一定的规则排列并通过节点连接而成的网格状结构体系。扁平空间网格结构通常称为网格，而弯曲空间网格结构称为网壳。目前，网格结构是中国发展最快、应用最广泛的结构。8.2.1、空间结构和特征、空间结构体系、8.2.1.1优越的力学性能、整体应力和共同作用。外部荷载由整个结构承担，承载任务根据空间的几何特征分担，

8、平面结构体系中各构件之间没有主次关系。空间应力，高阶超静定。在载荷作用下，它受到三维力的作用，主要是面内内力或轴向力。并且具有良好的抗震性能。巨大的跨越能力。8.2.1.2空间结构特点，经济性、安全性和适用性好，整体受力性能好，传力路线简单可靠，因此可以节约大量建筑材料，经济效果好。对于高阶超静定结构，内力重分布可以使其具有额外的安全储备和高可靠性。适应不同跨度、不同支撑条件的各种建筑要求。同时，建筑轻巧美观，便于建筑处理和装饰。杆件主要承受轴向力，可以充分发挥材料的强度。8.2.2平空间网格的形式，网格结构有多种形式，其分类有不同的标准。1.根据结构组成分类，2。根据支持条件分类，3。根据网

9、格组成进行分类，(1)交叉桁架系统这种网格由几个相互交叉的垂直平面桁架组成。垂直平面桁架的形式与一般平面桁架相似。桁架的节间长度是网格大小。这些平面桁架可以布置在两个方向或三个方向，当两个方向相交时，相交角可以是90度(正交)或任何角度(倾斜)双向正交对角网格双向正交对角网格的结构特点是两个方向的垂直面桁架垂直交叉，与边界成45夹角。三维空间桁架三维空间桁架的特征在于三个方向的垂直面桁架以60角相交。(2)四角锥系统网格和四角锥网格：以倒四角锥为单位，锥底四边为网格上弦，锥边为腹杆，每个锥的顶部连接为下弦，上弦和下弦平行于相应的边界。在四棱锥网格的基础上，除了周围网格是固定的以外，一些四棱锥单

10、元中的腹杆和下弦杆被适当地移除，使得下弦杆网格的尺寸是上弦杆网格的两倍大。斜四棱锥网格：以倒四棱锥为单位，由锥底组成的上弦与边界成45角，连接每个锥顶的下弦与相应的边界平行。因此，它的上弦网格是正交倾斜的，下弦网格是正交向前的。(1)一般计算原则网格结构的设计和计算应遵循现行相关国家或行业标准。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网格结构设计与施工规范JGJ7-91、8.2.3网格结构设计特点、8.2.3.1计算方法要点、空间桁架位移法，又称矩阵位移法。在结构

11、力学中引入了计算过程，即以杆件为基本单元，以节点的三个线性位移为基本未知量。首先通过单元分析得到单元刚度矩阵，然后通过整体分析得到整体结构刚度矩阵和结构刚度方程。然后引入边界条件，得到每个杆件的内力n。获得各杆件的内力n后，按照本书上述轴向受力构件章节的内容进行设计验算。空间桁架位移法精度更高，应用范围更广。差分法和准夹层板法。惯性矩转换后，差分法将网格简化为横梁系统进行差分计算，适用于由平面桁架系统组成的跨度为L40m的网格和四角锥网格。一般根据图表计算，误差为20。拟夹层板法将网格简化为正交各向异性或各向同性平板进行计算，适用于跨度为L40m的平面桁架体系或金字塔组成的网格。一般根据图表计

12、算，误差为10。8.2.3.2通用设计规定，(1)应首先选择网架结构设计，通常根据工程的平面形状、跨度大小、支撑条件、荷载大小、屋面结构、建筑设计等因素，结合以往工程经验确定。网格成员的布局必须确保结构的几何形状不变。(2)网格的大小和高度大多为正方形，也有矩形。网格大小可以是(1/61/20)L2，网格高度(也称为网格高度)h可以是(1/10-1/20)L2，L2是网格的短跨度。具体尺寸和高度可根据网格形式、跨度大小、屋面材料、结构要求和建筑功能等因素确定。(3)目前，檩条体系与轻型屋面相结合的方案广泛应用于网架结构体系的屋面。无檩条体系中使用了各种混凝土屋面板和钢丝网水泥板，但使用越来越少

13、。(4)圆钢管是最好的和最广泛使用的网格构件横截面。材料通常是Q235系列或Q345系列钢。构件l0的计算长度：对于螺栓球节点网格(因为节点靠近铰链)，构件l0的计算长度等于构件的几何长度l。对于焊接球形节点网格，弦杆和支撑腹杆为100.9升，其余腹杆为100.8升.压杆的长细比限值为180；对于钢筋长细比lim构件的最小截面规格为了保证网格构件的承载力并使其具有必要的刚度，杆件的截面规格不应小于482钢管和L503角钢。(5)网格节点的设计和施工要点：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。节点的权重一般是网格总权重的2025，占很大比例。由节点破坏引起的工程事故有很多，

14、我们应该充分重视。焊接空心球节空心球可分为无肋和有肋两种类型，如下图所示。使用的材料是Q235钢或Q345钢。当球的直径设计为D时，将直径为1.414D的圆板压入半球，然后对接焊接两个半球。这种接头适用于连接钢管构件，应用广泛。节点结构是将钢管构件通过焊接直接连接到空心球上，具有自定心和“通用”的特性，适应性强。直径为120500毫米的焊接空心球的承载力Nc(压缩球)和Nt(张力球)的设计值可分别按下列公式计算：D空心球外径(mm)；空心球壁厚(mm)；钢管外径(毫米)；f钢管材料强度设计值(NMM 2)；带肋压缩空心球的强度提高系数为带肋1.4，不带肋1.0；t带肋空心球受拉时的强度提高系数

15、t=1.1，不带肋空心球的强度提高系数t=1.0。空心球的外径d与壁厚t之比可根据设计要求选择，一般取d(2545)t；空心球壁厚t与钢管最大壁厚的比值应为1.22.0。另外，空心球的壁厚t不应小于4毫米。在确定空心球的外径时，由球形网架连接的杆件之间的间隙不应小于10毫米。为了保证间隙A，空心球的直径也可以通过下式：D(d1 d2 2a)/空心球接头中任意两个钢管构件之间的夹角(rad):进行初步估算；D1和D2角钢管外径(mm)；ad1和d2钢管之间的净距离一般为10mm。螺栓球窝接头由螺栓、钢球、销(或锁紧螺钉)、套筒和锥体或密封板组成。下图适用于连接钢管构件。螺栓是接头中的关键传力部件

16、。在同一网格中，用于连接弦杆的高强度螺栓可以具有相同的直径，而用于连接腹杆的螺栓可以具有相同的直径。在小跨度轻型网格中，连接球体的弦杆和腹杆可以具有相同的直径。螺栓直径一般由网格中最大受拉构件的内力控制，螺栓抗拉承载力的设计值按下式计算：(1)螺栓直径对承载力的影响系数；当螺栓直径为30毫米时，取1.0；当螺杆直径为30毫米时，取0.93；当螺栓钻有销孔或键槽时，高强度螺栓的有效截面积(mm2)，即螺栓螺纹的截面积。Ae应取螺纹或销孔键槽的较小值；热处理后ftb高强度螺栓的抗拉强度设计值，为430牛顿/平方毫米；40B钢、40Cr钢和20MnTiB钢；对于45 #钢，取365牛顿/平方毫米。螺栓直径确定后，钢球直径应按下列公式中较大者取值：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，拧入螺钉的钢球长度与螺栓直径之比；1.1更好；套筒外部因素直径与螺栓直径的比率；1.85更好。承