大跨房屋钢结构复习资料

平面结构：梁式体系（轴心受力）、框架式、拱式（水平推力是与梁的区别；合理拱轴线只有轴向压力，三铰拱竖向均布-抛物线，自重悬链线，集中荷载悬链线/抛物线）水平推力的构造处理：拉杆承担、刚性水平结构传递给纵拉杆、竖向承重结构承担、作用在基础上（斜坡状）框架横梁温度高变形大；同一截面面积，柱越高，抗侧能力下降，约束梁的能力下降，挠度（可变荷载）超静定次数越多弯矩分别越均匀，对温度沉降更敏感空间结构：实体（薄壳、折板）网格（网架及网壳）张力（悬索、膜结构）混合结构类（张弦梁）平面与空间区别：各个受力结构之间是否存在力的传递。平面结构(撤一个立即破坏)：1（纵向构件连接）传力特点有层次，从次要向主要传2承载能力靠截面尺寸和材料强度3结构或构件抗力取决于单个构件截面尺寸和材料强度空间结构（撤一个不会立即破坏）：1、传力特点没有明显的层次，更多依赖整体。2、承载能力靠结构形式。张弦梁刚性上弦柔性下弦，中间连以撑杆，下弦拉索中施加预应力使上弦产生反挠度优点：1在下弦拉索中施加预应力使上弦刚性构件产生反挠度从而使结构在荷载作用下的最终挠度得以减少2减缓上部刚性构件压应力的发展，减缓失稳。（预压力抵消外部荷载产生的拉应力）3拉力抵消预拱的水平推力，减小支座的受力4撑杆对上弦构件的弹性支撑，改善结构受力门式钢架构成：刚架斜梁、刚架柱、支撑、檩条、系杆、山墙骨架（横梁与柱刚接，柱脚多铰接，分单跨多跨双坡）支撑铰接）：空间整体刚度提高，稳定性好，传递荷载侧向支撑（交叉杆-拉杆，水平杆压杆）减小计算长度，整体刚度提高，承受风地震吊车荷载等屋面横向水平支撑-框架梁上翼缘平面交叉杆-拉，竖杆-压隅撑：框架梁下翼缘收压杆支撑（轴心受压）柱间支撑：一或两间（刚性）荷载竖向：自重，活荷载、雪荷载；水平：吊车（纵向横向）制动力、风、地震截面设计：强度计算（加劲肋）稳定性（平面内外），上翼缘荷载无加劲肋。抗剪验算：斜梁平面内强度-压弯，平面外稳定-压弯，折算应力节点设计：斜梁与柱-端板（竖斜平）最大内力设计，主钢架高强螺栓连接柱脚铰接锚栓不受拉力，刚接承受弯矩，锚栓抗拔拉验算节点刚接-单层：圆柱面（刚度差、弯曲内力大）球面（节点构造简单）、椭圆抛面、双曲抛物面双层节点铰接大跨（矢高较大球面成柱面）小跨（矢高小双曲扁壳或落地式双曲抛物面柱面网壳水平推力：水平拉杆、结构落地增加下部柱刚度，利用下部结构吸收推力，计算方法：单层网壳-空间杆系；多层-空间梁系（6个自由度）网架结构：按结构组成分：双层、三层、组合；按支承情况：周边支承、点支承、周边支承与点支承相结合的网架按网格形式：1交叉平面桁架体系（两向正交正放网架：周边支承正方形受力均匀，边长比变大，单向传力，适用于正方形或接近正方形且跨度较小；两向正交斜放：适用于建筑平面正方形或长方形，周边支撑是比正交正放空间刚度大，用钢省；两向斜交斜放：构造复杂受力性能不好；三向：适用于大跨度且建筑平面为三角形六边形多边形和圆形，空间刚度大，节点构造复杂）2四角锥体系（正放四角锥：受力均匀，空间刚度比其他类型的四角锥及两向好，屋面板规格单一，便于起拱排水；正放抽空四角锥：适用于屋面荷载较轻的中小跨度网架。用钢量省，比正放内力均匀性、刚度有所下降；斜放四角锥：适用于中小跨度周边支承或周边支承与点支承相结合的方形和矩形平面。节点处杆件少，用钢量省，排水困难，上弦压下弦拉；星形四角锥：适用于中小跨度周边支承的网架，上弦短于下弦，刚度稍差于正放四角锥；棋盘形四角锥：适用于小跨度周边支承，短压杆长拉杆，受力合理，杆件少屋面板规格单一，用钢指标良好）3三角锥体系（三角锥网架：适用于三角形六边形圆形建筑平面。受力均匀，整体抗扭抗弯刚度好，节点构造复杂；抽空三角锥：适用荷载小、跨度小的三角形六边形圆形平面，用钢量省，空间刚度比三角锥小；蜂窝形三角锥：适用于中小跨度周边支承，用于六边形圆形或矩形平面，上短下长，杆件和节点少，屋面板布置屋面找坡困难)单向折线形（适用狭长矩形平面）网架选型因素：建筑的平面形状和尺寸，网架的支承方式，荷载大小，屋面构造，建筑构造与要求，制作安装方法及材料供应情况（钢管杆件、球节点）（1）正方形：斜放四角锥（跨度荷载大时三向交叉梁系）（2）矩形周边支承长/宽＜1.5-斜放四角锥、棋盘形四角锥、正放抽空四角锥、两向正交斜放/正放；长/宽＞1.5-两向正交正放、正放（抽空）四角锥；长/宽＜2-斜放四角锥（3）圆、正六边形-三向网架、（抽空）三角锥网架（4）屋面板不单一-斜放四角锥、蜂窝形、三角锥网架高度：网架高度大，弦杆受力小、用钢量少，腹杆长用钢量增加因素：建筑要求刚度要求、网架平面形状（圆正方形高度小，狭长高度大）支承条件（周边小点大）节点构造（焊接高度小螺栓大）网架屋面：有檩体系-屋面板刚度小；无檩体系-屋面施工安装快，零配件少，重量大网架起拱作用：为了消除网架在使用阶段的挠度影响，称为施工起拱；排水网架起拱的方法：按线型分有折线型起拱和弧线型起拱两种。按方向分有单向和双向起拱两种屋面坡度做法1上弦节点上加小立柱找坡：小立柱高考虑自身稳定性，构造简单2网架变高度：跨度大时造成受压腹杆太长3支撑柱变高：点支撑4整个网架起拱：大跨度，设计制造安装复杂空间桁架位移法假定：每个节点3个自由度，杆件只受轴力空间杆系有限元计算步骤1、计算简图，节点杆件编号2、计算杆件单元长度和杆件与整体坐标轴夹角余弦3、初选截面积4、建立单元刚度矩阵5、集合总刚度矩阵6建立荷载列阵7、引入边界条件处理刚度矩阵8、求解求出位移9、根据位移算杆内力10、若不满足，根据内力调整截面重新计算对称性利用：过节点（反对称位移为0，加约束）；不过节点，弦杆x，y，z均约束，交叉腹杆在x，y约束边界条件的处理方法（原因：结构总刚度矩阵为奇异的，需引入边界条件以消除刚体位移，使总刚度矩阵为正定矩阵。（1）支座某方向固定的处理1.1（可得到支座反力方程，但元素地址改变）支座反力R，R为未知数，而与之对应的位移为0，可在建立总刚度方程时，将已知外荷载的方程放在前，未知放在后1.2划行划列法，将位移为0的行列划去1.3对角线充大数法，对位移为0相对应的主对角线元素充大数1.4将相应于0位移分量的那些行的主对角线元素改为1，其余元素连同右端项中的相应元素都改为0.前两种使总刚度矩阵阶数减少，后两种阶数与元素地址均不变，有利于编程（2）支座某方向弹性约束的处理：总刚度矩阵中对应于该弹性约束方向的主对角元素叠加上等效弹簧刚度系数K（3）某方向给定位移的处理：3.1消行修正法：总刚度方程中，相应于非定位移分量的那些行、列的非对角线元素改为0，对角线元素改为1，同时把总刚度方程的右端各分量减去对应的已知值3.2对角线项充大数法（同上）斜边界条件的处理4.1在边界点沿着斜边界方向设置一个具有一定截面的杆件4.2将斜边界点出的节点位移向量作一变换，使在整体坐标下的该节点位移向量变换到到任意斜方向，然后按一般边界条件处理不考虑温度作用：支座节点的构造允许网架侧移，侧移值≥公式计算值；周边支承网架验算方向跨度＜40m支撑结构为独立柱或砖壁柱；在单位力作用下柱顶位移值≥公式计算值不考虑地震作用：6/7不进行竖向抗震验算；8/9度应进行竖向验算，7度、8度周边支承的中小跨度不进行水平，9度均应进行水平验算重力荷载代表值建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和，其中恒载100%，雪荷载及屋面积灰荷载取50%，不考虑屋面活荷载抗震分析考虑支撑结构对网壳的实际约束刚度稳定性计算不可取对称结构。方法时程分析法（多遇地震弹性，罕遇地震弹塑性）、振型分解反应谱法钢杆件截面型式：圆钢管、角钢（小跨度小荷载）薄壁型钢薄壁圆钢管相对回转半径大截面特性无方向性，对受压受扭有力，比其他型钢截面节约用钢量（有条件优先采用）交叉平面桁架体系-角钢/圆钢管杆件；空间桁架（四角锥三角锥）选用圆钢管杆件；钢板节点-角钢，焊接球节点螺栓球节点-圆钢管。杆件截面（轴压、压弯）强度稳定性刚度验算网架节点【1】螺栓球节点构造：钢球、高强度螺栓、紧固螺钉（销子）、套筒、锥头（封板）适用：（优）圆钢管构件，适用于任何形式的网架，特别适用于四角锥或三角锥体系的网架。特点：节点小，重量轻。安装方便，质量保障（缺）加工复杂，零部件多、贵，不统一。受力特点：拧紧螺栓相当于对节点施加预应力，螺栓受拉，套筒受压，杆件不受力，受载后，拉杆内力通过螺栓传递，破坏时拉杆力全由螺栓承受，压力由套筒传递破坏时杆件压力全由套筒承受。【2】焊接空心球节点构造：两块圆钢板，热压冷压成两个半球后对焊。受力特点：传力明确，构造简单造型美观，连接方便适应性强，用钢量大，焊接质量要求高加环形加劲肋：于圆钢管杆件内力较大平面内，较大内力弦杆的轴线平面内。适用：连接圆钢管，节点汇交杆件较多时，优点突出，用于各种网架。网架支座：【1】压力支座：1平板压力支座-支座不可转动，底板下压应力分布不均匀，与铰接假设差距大（小跨度）2单面弧形（周边支承中小跨度）微量转动，移动，压力分布也较均匀，改善温度，挠度影响支座3双面弧形：自由伸缩自由转动，适于跨度大，支承网架柱子或墙体的刚度较大，周边支承约束较强，温度应力影响也较显著的大型网架4球铰压力支座节点：在任何方向自由转动而不产生弯矩及线位移（四点支承或多点支承大跨度网架）【2】拉力支座：1平板拉力-锚栓受拉（较小跨度）2单面弧形拉力：中小跨【3】板式橡胶支座节点（沿切向法向位移，还可绕两向转动，大中跨）节点构造：与温度有关，橡胶垫板中间加劲薄钢板符合规定，承压（尺寸）垫板厚度：网架水平位移通过橡胶无剪切变位压缩变形：支座节点转动通过橡胶垫板不均匀压缩变形实现抗滑移验算：水平力与摩擦力平衡网架制作安装节点，杆件制作：焊接钢板节点，焊接空心球节点，螺栓球-球坯-正火-精加工，杆件。拼装：分条拼装，分块拼装，整体拼装原则：1.小拼单元本身为几何不变体2.减少焊接变形和焊接应力。拼装焊接顺序从中间向两边或四周，中间向两边，两端可自由收缩。拼装先焊下弦，因收缩上拱，然后焊腹杆及上弦杆拼下弦网架安装方法：1.高空散装法（全支架，悬挑法）不需大型起重设备，在高空一次拼装完毕，现场高空作业量大，需大规模拼装支架，耗材2分块安装法(大部分的焊接拼装工作在地面进行，保证质量，省去大部分拼装支架充分利用起重设备，经济。适用于分割后刚度和受力情况改变小的网架）3高空滑移法（平行立体作业，缩短工期，对起重设备牵引设备要求不高，适用场地狭小跨越其他结构或设备/需立体交叉施工）4移动支架安装（脚手架用量少，不需要大型起重设备，施工费用低，只用施工作业面少，适用支承点平行）5整体吊装法：（易于保证焊接质量和几何尺寸的准确性，需较大的起重设备能力，适用于各类型网架）6整体提升法在地面/最有利的高度施工，成本低，只能在设计坐标垂直上升不能移动或转动，适用于周边支承及多点支承7整体顶升法：顶升设备在网架下面，适用于支点较少的多点支承网架，同提升）单层网壳的网格形式【1】圆柱面单层网壳：三向网格型柱面网壳较好，多应用于跨度较大和不对称荷载较大的屋盖中。总体，比其他结构刚度差，节点必刚接，设横向肋。【2】球面单层网壳（1）肋环型：每个节点仅有四根杆件交汇，构造简单，适用于中小跨度（2）肋环斜杆型：承受不对称荷载的能力较强。位移小，矢跨比增大，竖向位移减小，结构边缘位移变化大。（3）三向网格型：中小跨度网架（4）扇形三向网格：杆件类型少受力较均匀，适用于大中跨度（5）葵花形网格：联方型球面网壳，人字斜杆组成菱形网格，刚度稳定性好，杆件夹角大。大中跨度（6）短程线：一个球面分20个等边球面三角形，杆件会有过大长细比【3】椭圆抛物面单层网壳：三向或单向斜杆正交正放网格【4】双曲抛物面单层网壳：直纹曲面，按直纹两个方向直线杆件，第三方向设置斜杆，三向网格。或沿主曲率方向布置杆件。网壳失稳模态：杆件失稳、点失稳、条状失稳、整体失稳（薄膜盈利状态转化为弯曲应力状态，从局部开始）因素：网壳结构的非线性效应（几何非线性、材料非线性、状态/接触非线性），