钢结构设计方法与工程实例解析研讨班8

建筑钢结构设计方法与实例解析第七章大跨空间钢结构大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩，习惯上分为如下这些类型：钢筋混凝土薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、索—膜结构以及混合结构，通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。随着建筑科技的进步和经济文化发展的需要，人们在不断地追求覆盖更大的建筑空间。我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。7.0概述第七章大跨空间钢结构网架结构在工程上的大量使用，皆因其能够做到大跨、耗钢量低、承载能力高、能根据建筑设计的要求实现不同的造型等特点。网架结构在我国的工程中已经使用了几十年，其设计水平和施工手段已相当成熟。设计空间网格结构时，应从工程实际情况出发，合理选用结构方案、网格布臵与构造措施，并综合考虑加工制作与现场施工安装方法，以取得良好的技术经济效果。本节以某学校电教中心项目设计为例，详细介绍网架工程设计的一般流程和设计要点。7.1.0某学校电教中心网架屋面第七章大跨空间钢结构电教中心网架跨度37.8m，屋顶起伏略有弧度。为满足建筑设计要求，充分体现其屋顶平滑流畅的设计效果和室内空间宽阔的要求，初步计划采用网架结构形式。柱距依照建筑轴网布臵，根据建筑结构部位不同分别有8.4m，7.2m和9m。建筑平面分为两部分，左侧为多功能厅区域，用以满足大型会议容纳观众和各种相关设备的需要，区域中杜绝支承构件，故采用屋顶为平面网架，采取周边支承的方式，以满足其较大的空间需求。右侧为办公区域，设计为框架结构体系，达到灵活布臵空间的效果。7.1.1相关专业配合第七章大跨空间钢结构1）预估截面在网架结构设计中，预估截面往往是首要环节。一般情况下，根据结构的跨度、荷载大小来确定，这主要是经验的积累。需要进行多次的构件截面的选择和计算。在实际的结构设计中，通常根据施工中常见的各种构件截面，建立常用的截面库，再从截面库中进行筛选，来完成截面最初估计。常用的钢管构件截面如P60×3.5，P140×4，P180×7，P245×12，P299×12，P325×14，P406×16等。7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构2）模型建立本工程网架长50.4m，宽37.8m，平面长宽比小于1.5，考虑到正放四角锥网架的节点、杆件数量最少，用钢量最省，屋面排水处理及天窗设臵也比较方便，从刚度特性及受力性能来看，正放四角锥网架的空间刚度比其它四角锥网架及两向正交正放网架都大，受力比较均匀，延性较好。所以本工程采用正放四角锥网架形式。同时，本工程还建立了正放抽空四角锥网架，并对其计算结果进行了受力性能和经济性能分析，通过对这两种不同形式的网架结构的综合分析，选择较好的一种应用于实际工程中。节点形式采用螺栓球节点，支座节点采用平板压力支座节点。7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构网格尺寸与网架短向跨度有关。常用网格尺寸与短向跨度的关系如下表。7.1.2结构选型与模型建立根据上表，网格尺寸宜取(1/16~1/10)×37.8m=2.36m~3.78m。这里由柱距的1/3确定网格尺寸，分别为2.8m×2.4m和2.8m×3.0m。高跨比可取1/10~1/18，此处取为2.4m。第七章大跨空间钢结构本工程属于乙类建筑。设计参数如下：a.设计使用年限：50年b.建筑结构安全等级：一级c.主要设计荷载与工况组合：主要设计荷载恒载（不含结构自重）屋面恒载标准值：0.6kN/㎡下弦吊挂标准值：0.2kN/㎡活载和雪荷载(1)屋面活荷载标准值：0.5kN/㎡；(2)基本雪压：0.35kN/㎡（50年）；(3)屋面积雪分布系数按规范选取；(4)活荷载和雪荷载取大者。风荷载(1)基本风压：0.5kN/㎡(50年)(2)风振系数：按随机振动理论计算(3)地面粗糙度类别：B类(4)风压高度变化系数：按规范选取(5)风荷载体型系数：按规范选取7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构地震作用抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组；场地类别为II类。地震荷载分析采用振型分析反应谱法，结构阻尼比取0.03，计算前15阶振型，考虑双向地震作用和扭转耦联；考虑竖向地震作用。温度作用考虑正负20°的温差作用。7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构工况组合(1)1.35恒载+1.40x0.70活载(2)1.20恒载+1.40活载(3)1.00恒载+1.40活载(4)1.20恒载+1.40风载(5)1.00恒载+1.40风载(6)1.20恒载+1.40雪载+1.40×0.60风载(7)1.00恒载+1.40雪载+1.40×0.60风载(8)1.20恒载+1.40×0.70雪载+1.40风载(9)1.00恒载+1.40×0.70雪载+1.40风载(10)1.20恒载+1.40活载+1.40×0.60温度荷载(11)1.00恒载+1.40活载+1.40×0.60温度荷载(12)1.20恒载+1.40雪载+1.40×0.60风载+1.40×0.60温度荷载(13)1.00恒载+1.40雪载+1.40×0.60风载+1.40×0.60温度荷载(14)1.20恒载+1.40×0.70活载+1.40温度荷载(15)1.00恒载+1.40×0.70活载+1.40温度荷载(16)1.20恒载+1.40×0.70雪载+1.40×0.60风载+1.40温度荷载(17)1.00恒载+1.40×0.70雪载+1.40×0.60风载+1.40温度荷载(18)1.20恒载+0.60活载+1.30水平地震+1.30×0.50竖向地震(19)1.20恒载+0.60活载+1.30×0.50水平地震+1.30竖向地震(20)1.20恒载+0.60活载+1.30水平地震(21)1.20恒载+0.60活载+1.30竖向地震7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构模型计算时，正放四角锥网架和正放抽空四角锥网架平面图如下图所示：7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构应用3D3S分析程序对上述两种模型进行计算，并分别对各模型的计算结果进行分析比较，得出可为同类工程作参考的结论。7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构7.1.2结构选型与模型建立第七章大跨空间钢结构7.1.2结构选型与模型建立对其计算结果进行分析，得出如下结论：1、正放抽空四角锥网架相对正放四角锥网架的受力性能和刚度较差。2、采用正放抽空四角锥网架之后网架的杆件重量减少不多，经济性改善不明显。总的来说，抽空四角锥网架计算比较复杂，设计过程中要不断通过试算，以免结构变成了几何可变体系，这样就增加了设计工作量，不利于结构设计效率的提高。另外，正放抽空四角锥网架的刚度较小，结构杆件受力不均，设计杆件的截面种类较多，不利于施工。并且抽空四角锥网架的经济性比四角锥网架并不是有较大幅度的提高，所以对本工程来说，采用正放四角锥网架。第七章大跨空间钢结构7.1.3结构分析与工程判定根据《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010第4.1.1条规定，网架结构应进行外荷载作用下的内力、位移计算，并应根据具体情况，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的内力、位移进行计算。强度控制（内力）杆件应力比控制在0.85以下。变形控制（位移）空间网架结构的最大挠度值不应超过下表中的容许挠度值。此处最大挠度值应小于1/250L（L为短向跨度）。结构设计整体要求各结构构件满足以上控制指标。根据表7-1-1得结构在1.0恒+1.0活荷载工况下Z向位移最大，为92.8mm，结构短向跨度为37.8m，挠度值为92.8/37800=1/4071/250，满足要求。第七章大跨空间钢结构7.1.3结构分析与工程判定选取强度应力比最大的前10个单元演算结果汇总如下表。第七章大跨空间钢结构7.1.3结构分析与工程判定第七章大跨空间钢结构7.1.3结构分析与工程判定通过分析结果，结构在强度、位移、长细比等方面均满足规范要求，该结构可行。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计构件设计确定杆件的长细比时，其计算长度l0应按下表采用。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计构件设计杆件的长细比不宜超过下表中规定的数值。本工程中取容许长细比为180。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计连接和节点设计螺栓球节点螺栓球节点应由高强度螺栓、钢球、紧固螺钉、套筒和锥头或封板等零件组成，适用于连接双层网壳和网架等空间网格结构的钢管插件。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计钢球直径应根据相邻螺栓在球体内不相碰并满足套筒接触面的要求分别按下面两式核算，并按计算结果中的较大者选用。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计高强度螺栓的直径应由杆件内力控制。每个高强度螺栓的受拉承载力设计值应按下式计算：第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计3D3S软件设计流程1）在完成结构受力分析，确定杆件截面尺寸的基础上，进行螺栓球节点的设计。在设计的开始阶段，首先定义螺栓球基准孔方向。在网格结构中,基准孔的选取原则一般是沿螺栓球所在弦平面在该球处的法线方向，上弦面内的基准孔方向向上(或向外)，其优点是可利用基准孔安装檩托；下弦面内的基准孔方向向下(或向内)，可利用该孔吊顶或安装灯具等设施。在3D3S软件中，基准孔默认方向均为Z正向，故需要改变下弦杆基准孔方向。2）完成基准孔方向定位后，进行螺栓球节点设计。选定需要设计的网架杆件，在螺栓球节点设计对话框中输入设计所需参数，由软件自动完成计算。3）由软件自动出具螺栓球节点图和上下弦、腹杆施工图，校核节点设计性能。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计支座节点①平板压力支座，适用于较小跨度的网架结构。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计支座节点②单面弧形压力支座节点，适用于要求沿单方向转动的中小跨度网架结构。支座反力较大时可采用下图所示支座。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计支座节点③双面弧形压力支座节点，适用于温度应力变化较大且下部支承结构刚度较大的大跨度网格结构。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计支座节点④球铰压力支座节点，适用于有抗震要求、多支点的大跨度网格结构。平板拉力支座，适用于较小跨度的网架结构。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计支座节点单面弧形拉力支座节点，适用于要求沿单方向转动的中小跨度网格结构。弹性橡胶板式支座节点（图7-1-10），适用于支座反力较大、有隔震要求、需释放温度应力与其他水平位移及有转动要求的大跨度网格结构。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计支座节点刚性支座节点，适用于兼受轴力、弯矩与剪力的网格结构。第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计支座节点对于本工程等中小跨度网架结构，可采用平板压力支座。其设计图如下图所示：第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计第七章大跨空间钢结构7.1.4构件与节点设计第七章大跨空间钢结构7.1.5施工图绘制网架设计施工图主要包括结构设计总说明，预埋件布臵图，网架平面图，网架节点图，网架内力图，网架杆件截面图，网架节点装配图等。结构设计总说明应包括网架总体参数，材料选用标准，制作安装要求等信息，如下图所示。第七章大跨空间钢结构7.1.5施工图绘制网架设计说明第七章大跨空间钢结构7.1.5施工图绘制结构平面图应能全面清楚地表达网架结构的构成和空间关系。一般包括上、下弦杆平面布臵图及关键剖面图。图中应注明轴线关系、总尺寸、分尺寸、控制标高及构件编号和节点索引编号，必要时说明施