第四章大跨度房屋钢结构

1第四章24.1大跨度房屋钢结构的组成及布置4.2大跨度房屋钢结构的形式和受力特点4.3网架与网壳结构的设计特点4.4悬索结构的设计特点第四章大跨度房屋钢结构3大跨度结构的分类：平面结构体系网格空间结构体系张力空间结构体系梁式结构（平面、空间桁架）平面框架结构拱式结构网架结构网壳结构4.1大跨度房屋钢结构的组成及布置悬索结构薄膜结构斜拉结构和张拉整体结构4梁式结构5特点不产生水平推力(可支承于墙壁，砖石或混凝土柱上)制造和安装较简单结构布置4050m屋架檩条68m简单式屋架主檩条檩条5070m812m复杂式梁式结构6结构型式跨度较小时，可采用实腹式梁(常用工字形截面)跨度在5070m及更大时，采用桁架形式(吊顶与下弦设间隙)桁架外形及腹杆体系取决于跨度，屋面形式和吊顶结构桁架高跨比一般为1/81/6(注：跨度大于50m时，运输超限)常用梯形桁架；屋面坡度大时，宜用平行弦；吊顶可作弧线形(设拉杆)梁式结构7平面框架结构8特点与梁式相比，框架结构可降低建筑物高度结构上比梁式结构经济结构布置横向框架布置(跨度大于60m时，应增大框架间距，常导致复杂布置)纵向框架布置(跨度较小时，特别有利，可向外悬伸，用于机库等)结构型式跨度在5060m时，常用双铰实腹式框架(常用工字形截面)减轻基础负担；结构可外露；横梁高度可取跨度的1/201/12设置预应力拉杆减少跨中弯矩，横梁高度可取跨度的1/401/30平面框架结构9平面框架结构跨度较大时，常用双铰格构式框架跨度超过100m时，宜采用无铰格构式框架10格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/201/12范围选取格构式框架立柱的宽宜取其横梁的节间长度(卸载效应)折线弓形框架接近于拱形结构的力学性能常用于高度相对较大(跨度约4050m，高度约1520m)的建筑物横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/251/15范围选取平面框架结构11拱式结构12拱式结构特点拱式屋盖受力合理比梁式和框架式屋盖结构经济指标好(跨度超过80m时尤为显著)结构布置跨度为4060m时，拱间距可取610m，无檩或型钢檩条13跨度达100m左右时，宜采用间距36m的拱对，拱对间距为915m拱式结构14拱式结构侧窗难以开启，且宜积灰；檩条下移，构成横向天窗15拱式结构结构型式双铰拱(最常见，制作安装方便，较经济，温度应力低)无铰拱(最经济，须设强支座，温度应力高)三铰拱(应用不广，拱肋铰使结构复杂化)亦分为实腹式和格构式宜设计成等截面实腹式截面高度可取跨度的1/801/50格构式截面高度可取跨度的1/601/30水平推力拉杆设置支座设计框架结构16拱脚构造处理构造不便空间利用拱式结构17平板网架网壳结构网架和网壳结构18悬索结构悬索结构示例——马鞍形悬索结构19薄膜结构20斜拉结构和张拉整体结构21斜拉结构和张拉整体结构张拉整体结构根据自然界拉压共存的原理，首次提出了“张拉整体体系”的概念，张拉整体结构是一组不连续的受压构件（钢压杆）与一组连续的受拉构件（预应力钢索）相互联系，不依赖于任何外力的作用，受拉索与受压构件自应力平衡，实现自支承的网状杆系结构。22斜拉结构和张拉整体结构张拉整体结构234.2.1网架结构的形式和受力特点4.2大跨度房屋钢结构的形式和受力特点特点多向传力，空间刚度大，抗震性能好适应性强，适用于各种跨度和平面类型自重轻，用钢量省，经济指标好杆件规格统一，适宜工厂化生产，施工周期短24网架结构的形式25平面桁架网架四面锥体系网架三角锥体体系网架两向正交正放网架两向正交斜放网架两向斜交斜放网架三向网架单向折线形网架正放四角锥网架正放抽空四角锥网架斜放四角锥网架棋盘四角锥网架星形四角锥网架三角锥网架抽空三角锥网架蜂窝形三角锥网架网架结构的形式26两向正交正放网架水平斜撑杆选用原则：在矩形建筑平面中，网架的弦杆垂直于及平行于边界。27周边支承网架水平斜撑布置方式之一水平斜撑杆水平斜撑杆28点支承29两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。30两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。31两向斜交斜放：适用于两个方向网格尺寸不同的情形,受力性能欠佳，节点构造较复杂两向斜交斜放网架32三向网架三个方向的平面桁架相互交角60常用于正三角形，正六三角形平面比两向网架空间刚度大，受力性能好，内力分布均匀，适合大跨度（L60m）在某些平面形状会出现不规则杆件节点构造复杂，33单向折线形网架34四角锥网架单向折线形网架35正放四角锥网架正放四角锥网架空间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量偏大。适用于接近方形的中小跨度网架，宜采用周边支承。362008奥运会场馆（正放四角锥）37运动场看台38正放抽空四角锥网架特点：将正放四角锥网架适当抽掉一些腹杆和下弦杆。39斜放四角锥网架特点：上弦网格呈正交斜放，下弦网格为正交正放。网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理，杆件数量少。适用于中小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩形平面。屋面板类型多，屋面组织排水较困难40棋盘形四角锥网架特点：保持正放四角锥网架周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放。克服了斜放四角锥网架屋面板类型多，屋面组织排水较困难的缺点。41星形四角锥网架星形网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。星形网架一般用于中小跨度周边支承情况。42三角锥网架三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格,上下弦节点各连9根杆件。当网架高度为网格尺寸的？倍时，上下弦杆和腹杆等长。三角锥网架受力均匀：整体性和抗扭刚度好，适用于平面为多边形的大中跨度建筑。43抽空三角锥网架保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆。抽杆后，网架空间刚度受到削弱。下弦杆数量减少，内力较大。抽空三角锥网架适用于平面为多边形的中小跨度建筑。44蜂窝三角锥网架上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。腹杆与下弦杆位于同一竖向平面内。节点、杆件数量都较少，适用于周边支承，中小跨度屋盖。蜂窝形三角锥网架本身是几何可变的：借助于支座水平约束来保证其几何不变。45角锥体网架46角锥体网架47网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。双层网架是由上弦、下弦和腹杆组成的空间结构，是最常用的网架形式。双层网架网架的形式48特点：三层网架是由上弦、中弦、下弦、上腹杆和下腹杆组成的空间结构(图3b)。当网架跨度较大时，三层网架用钢量比双层网架用钢量省。但由于节点和杆件数量增多，尤其是中层节点所连杆件较多，使构造复杂，造价有所提高。选用原则：网架跨度较大时，采用。三层网架49原则：网架的选型应结合工程的平面形状、建筑要求、荷载和跨度的大小、支承情况和造价等因素综合分析确定。按照《网架结构设计与施工规程》JGJ7—91的划分：大跨度为60m以上；中跨度为30—60m；小跨度为30m以下。平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比(长边／短边)小于或等于1.5时，宜选用正放或斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架，正放抽空四角锥网架，两向正交斜放或正放网架。对中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形三角锥网架。网架的选型50平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比大于1.5时，宜选用两向正交正放网架，正放四角锥网架或正放抽空四角锥网架。当边长比不大于2时，也可用斜放四角锥网架。平面形状为矩形、多点支承的网架，可选用正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架，两向正交正放网架。对多点支承和周边支承相结合的多跨网架还可选用两向正交斜放网架或斜放四角锥网架。平面形状为圆形、正六边形及接近正六边形且为周边支承网架，可选用三向网架，三角锥网架或抽空三角锥网架。对中小跨度也可选用蜂窝形三角锥网架。51网架的支承方式：周边支承点支承周边支承与点支承相结合两边和三边支承网架结构的支承52周边支承是在网架四周全部或部分边界节点设置支座，支座可支承在柱顶或圈梁上，网架受力类似于四边支承板，是常用的支承方式。为了减小弯矩，也可将周边支座略为缩进。周边支承53点支承网架受力与钢筋混凝土无梁楼盖相似。为减小跨中正弯矩及挠度，设计时应尽量带有悬挑，多点支承网架的悬挑长度可取跨度的1／4～1／3。点支承54点支承网架与柱子相连宜设柱帽以减小冲剪作用。柱帽可设置于下弦平面之下，也可设置于上弦平面之上。当柱子直接支承上弦节点时，也可在网架内设置伞形柱帽，这种柱帽承载力较低，适用于中小跨度网架。各种柱帽形式55特点：平面尺寸很大的建筑物，除在网架周边设置支承外，可在内部增设中间支承，以减小网架杆件内力及挠度。周边支撑与点支承结合5657网架高度确定原则网架的高度与屋面荷载、跨度、平面形状、支承条件及设备管道等因素有关。屋面荷载较大、跨度较大时，网架高度应选得大一些。平面形状为圆形、正方形或接近正方形时，网架高度可取得小一些，狭长平面时，单向传力明显，网架高度应大一些。点支承网架比周边支承的网架高度要大一些。当网架中有穿行管道时，网架高度要满足要求。58网格尺寸确定原则网架的网格尺寸与高度关系密切，斜腹杆与弦杆夹角应控制在400-550之间为宜。如夹角过小，节点构造困难。网格尺寸要与屋面材料相适应，网架上直接铺设钢筋混凝土板时，网格尺寸不宜过大，一般不超过3m，否则安装困难。当屋面采用有檩体系时，檩条长度一般超过6m。对周边支承的各类网架高度及网格尺寸可按下表选用。59注：1．L2为网架短向跨度，单位为米；2．当跨度在18m以下时网格数可适当减少。60网架的挠度要求及屋面排水坡度(1)网架结构的容许挠度不应超过下列数值：用作屋盖——L2／250；用作楼面——L2／300。L2为网架的短向跨度。(2)网架屋面排水坡度一般为3％-5％，可采用下列办法找坡：(a)在上弦节点上加设不同高度的小立柱，当小立柱较高时，须注意小立柱自身的稳定性；网架屋面找坡（a）用小立柱（b）起坡61(b)对整个网架起拱；(c)采用变高度网架，增大网架跨中高度，使上弦杆形成坡度，下弦杆仍平行于地面，类似梯形桁架。(3)有起拱要求的网架(为消除网架在使用阶段的挠度)，其拱度可取不大于短向跨度的1／300。网架屋面找坡（a）用小立柱（b）起坡62施工中的网架634.2.2网壳结构的分类零高斯曲率的网壳正高斯曲率的网壳负高斯曲率的网壳1.按高斯曲率分类球面网壳双曲扁壳柱面网壳圆锥面网壳扭曲面网壳单块扭网壳双曲抛物面网壳切割或组合形成的曲面网壳2.按曲面外形分类644.2.3球面网壳的网格划分和受力特点单层球面网壳的形式a)肋环型球面网壳b)Schwedler型球面网壳c)Schwedler型球面网壳d)联方型球面网壳e)三向网格型球面网壳单层球面网壳的网格形式a):刚度差，适用于中，小跨度b):刚度好，适用于大，中跨度c):交叉斜杆Schwedler型还有其它Schwedler型d):菱形网格，造型美观e):适用于中，小跨度凯威特型球面网壳短程线球面网壳65凯威特型球面网壳短程线球面网壳66a)肋环型四角锥球面网壳b)联方型四角锥球面网壳c)联方型三角锥球面网壳d)平板组成式球面网壳双层球面网壳的网格形式1.交叉桁架体系只需将单层球面网壳中的杆件用平面网片代替2.角锥体系(常见四种)a):肋环型四角锥球面网壳，b):联方型四角锥球面网壳c):联方型三角锥球面网壳，d):平板组成式球面网壳双层球面网壳的形式67a)单斜杆柱面网壳：杆件数量少，节点构造简单；刚度差b)人字形柱面网壳：亦称弗普尔形柱面网壳c)双斜杆柱面网：壳杆件数量多；刚度好d)联方网格柱面网壳：杆件组成菱形，夹角为3050e)三向网格柱面网壳：联方网格柱面加纵向杆件4.2.4柱面网壳的网格划分和受力特点单层柱面网壳的形式68a)