钢结构第8章 大跨度房屋结构

设计钢结构第八章大跨度房屋结构设计钢结构第八章大跨度房屋结构本章目录基本要求8.1平面承重的大跨屋盖结构8.2空间网架屋盖结构8.3悬挂式屋盖简介1.了解平面承重的大跨屋盖结构的分类和构造特点。2.了解空间网架屋盖结构的特性和组成分类。3.了解悬挂式屋盖结构的布置形式。设计钢结构第八章大跨度房屋结构大跨度房屋结构常用于公共建筑。如会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、市场、火车站、航空港等。也用于工业建筑，特别是在航空工业和造船工业中，如飞机制造厂的总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等。大跨度建筑物的用途、其使用条件以及对其建筑造型方面要求的差异性，决定了采用结构方案的多样性。可采用梁式、框架式、拱式、空间式以及悬挂-悬索式的结构。设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.1设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.2设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.3设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.4飞机库梁式结构950110073.8477004500087500图8.0.5图8.0.6设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.7郑州碧波园娱乐中心空间拱形屋盖结构（建筑平面80m×80m）40,00021,500320001600032000800002800500012500设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.8上海国际体操中心主体育馆铝穹顶下沉式碗形气楼铝合金三角板铝合金穹顶构架遮雨板披水板铝墙板以及采光窗设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.9海南美兰机场库机库网架与拉杆拱架结构100005000500022000±0.00022.000预应力混凝土长梁115000设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.10首都机场三号航站楼设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.0.11日本名古屋网壳穹顶设计钢结构第八章大跨度房屋结构第8.1节平面承重的大跨屋盖结构1.梁式大跨结构2.框架结构3.拱式结构了解大跨屋盖结构分类方法与应用本节目录基本要求设计钢结构第八章大跨度房屋结构应用：通常采用简支桁架作为主要承重构件。其上、下弦及腹杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。重点是支撑系统的布置，对保证整个结构体系的整体刚度是非常重要的。优点：制造与安装较为简单。常用体系：大跨度屋盖、预应力三角形截面桁架适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量过大而不经济。8.1.1梁式大跨结构设计钢结构第八章大跨度房屋结构◆预应力三角形截面桁架预应力三角形截面桁架便于制造、运输和安装，给设置大跨度梁式结构体系以良好基础。(a)图8.1.1设计钢结构第八章大跨度房屋结构铺设于屋架上的钢筋混凝土屋面板可参与共同受压，采用管材(方管、圆管)杆件以及施加预应力这三个方面使得这种结构体系钢材用量比较经济。(b)钢筋混凝土屋面板拉杆三角形屋架6m(c)钢筋混凝土屋面板24~30m(d)钢筋混凝土屋面板18~24m玻璃窗图8.1.2设计钢结构第八章大跨度房屋结构两铰框架：对温度作用不敏感，刚度较差无铰框架：刚度好，用钢量省、便于安装，但对基础要求较高实腹框架：用工量少，可装运性好，还能降低房屋高度。格构框架：当跨度大于60m时，实腹式框架不太经济，此时可采用格构式，最大可做到150m。8.1.2框架结构8.1.2.1框架的体系及形式设计钢结构第八章大跨度房屋结构8.1.2.2计算原则及构造特点◆计算原则格构式普通框架可以折算成与其等效的实腹框架。重型的格构式框架按格构式体系考虑全部腹杆的变形进行计算。大跨框架的挠度仅用可变荷载求得，永久荷载产生的挠度由相应的结构起拱来抵消。当跨度大于50m且刚性柱(支座)不高时，须计入框架的温度应力。两铰框架中，框架柱可以做成沿高度变截面形式，这样能减轻结构自重并具有较好的外观。当杆件内力大于等于2000kN时，应按重型桁架设计，杆件截面通常设计成双腹杆的。设计钢结构第八章大跨度房屋结构当支座反力大于2500～3000kN时，框架的支座应设计成辊轴式；反力较小时，可设计成平板式。◆构造特点在双铰框架结构中,为减小横梁中部的弯矩,可采用图中使横梁卸载的做法。O悬挂墙(a)RRe(b)图8.1.3设计钢结构第八章大跨度房屋结构横梁与柱连接的框架节点内角弯折处应做成平缓曲线以避免应力集中。为使转角处腹板不致失稳，应在其内部受压区设置短加劲肋。图8.1.4（a）（b）设计钢结构第八章大跨度房屋结构8.1.3拱式结构8.1.3.1拱的体系及形式（1）拱的形式有：两铰拱、三铰拱、无铰拱。拱式体系用钢量比梁式体系及框架体系经济。两铰拱：安装和制造简单。因为铰可自由转动的特性，两铰拱易于适应变形。三铰拱：与两铰拱相比无突出的优点，拱钥铰还使拱本身结构及屋面设置复杂化。两铰拱lf(a)三铰拱lf(b)无铰拱lf(c)图8.1.5设计钢结构第八章大跨度房屋结构①设置拉杆对于软弱地基的情况，设置拉杆承担拱的横向水平力更为合适。设有拉杆的拱其支座主要承受垂直荷载，故这种情况下支座比较轻巧。无铰拱：对于弯矩沿跨度的分配最为有利，但必须设置强大的基础，而且要计算温度的作用。（2）水平推力的解决措施：拱支承在墙体上时，横向反力也可用在支座铰水平处设置拉杆的办法加以解决。为了在不增加房屋高度的情况下增大房间的有效高度，有时将拉杆布置于拱支座铰水平之上。设计钢结构第八章大跨度房屋结构②设置拱扶壁在加盖的体育场、展览馆以及飞机库里，拱的支座常常是房屋的墙体、看台等。没有横墙或看台的情况下则要求设置拱扶壁以承受拱的水平推力。图8.1.6设置抬高拉杆的拱拉杆±0.05505501670017800设计钢结构第八章大跨度房屋结构（3）拱外形：——接近压力曲线抛物线拱：当对称的、沿拱弦线均布的荷载值起主要作用时最为合适。圆弧拱：适于扁平拱,可以简化拱的设计与制造，使拱构件及节点达到最大标准化。悬链线拱：适于自重很大的高拱。高拱中风荷载引起很大的内力，而且风荷载有可能自两面作用并给出两条截然离散的风压线。此时拱的外形宜取两条极端风压曲线的中间线。设计钢结构第八章大跨度房屋结构8.1.3.2拱的构造特点◆拱截面分实腹式和桁架式两种，一般为等截面。拱身所受弯矩较小，因而截面高度不大，实腹式可取1/50-1/80，桁架式可取1/30-1/60。◆拱截面可采用H型钢、双角钢、T型钢、槽钢、圆钢管和方钢管等。◆格构拱的腹杆可设计成附加竖杆的三角体系、无附加竖杆的三角形体系及斜腹杆体系。（如下图）设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.1.7格构拱构造方案α安装节点(a)(b)(c)设计钢结构第八章大跨度房屋结构实腹式拱与格构式拱的支座铰具有相同的结构。常用的支座铰的形式如下。图8.1.8拱与框架的支座(铰)节点平板(铰)支座节点辊轴(铰)支座节点设计钢结构第八章大跨度房屋结构8.1.3.3拱的计算特点◆风荷载是拱结构计算中一项非常重要的荷载。特别应注意风吸力对拱结构的影响，还应考虑侧风压或端风压作用在建筑物上的情况。◆拱本身作为受压曲杆，需要验算强度和稳定。拱出平面的稳定，由横向支撑及檩条体系提供保证。◆拱在弯矩作用平面外的刚度如果与平面内相差很大，应按压弯杆件验算平面外的稳定。设计钢结构第八章大跨度房屋结构第8.2节空间网架屋盖结构本节目录基本要求1.空间结构及特性2.平板式空间网架的形式3.网架结构设计特点了解空间网架屋盖结构的特性和平板式网架的设计特点。设计钢结构第八章大跨度房屋结构空间网架结构是由许多杆件按照一定规律布置通过节点连接而成的网格状结构体系。常将平板型的空间网架结构称做网架，将曲型的空间网架结构称做网壳。目前空间结构中以网架结构在我国发展最快,应用最广。空间结构体系网架及网壳结构悬索结构膜结构8.2.1空间结构及特性空间结构体系设计钢结构第八章大跨度房屋结构8.2.1.1优越的力学性能◆整体受力，共同工作。以整个结构的形体来承受外荷载，按照空间的几何特性分担承受荷载任务，没有平面结构体系中构件之间那种主次关系。◆空间受力，高次超静定。在荷载作用下为三向受力，并以面内力或轴力为主。◆具有良好的抗震性能。◆跨越能力大。空间结构特性设计钢结构第八章大跨度房屋结构8.2.1.2良好的经济型、安全性与适用性◆整体受力性能好，传力路线简洁、可靠，故可节约大量建筑材料，经济效果好。◆高次超静定结构，内力重分布可使其具有额外的安全储备，可靠程度较高。◆适应不同跨度、不同支承条件的各种建筑要求。同时，建筑造型轻巧、美观、便于建筑处理和装饰等。◆杆件主要承受轴向力，能充分发挥材料的强度。设计钢结构第八章大跨度房屋结构8.2.2平板式空间网架的形式网架结构形式较多，其分类有不同标准。1.按结构组成分类双层网架三层网架周边支承网架点支承网架周边支承与点支承网架三边支承或两边支承网架2.按支承情况分类设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.2.1周边支承网架网格宽度与柱距一致图8.2.2点支承网架四点支承网架多点支承网架设计钢结构第八章大跨度房屋结构图8.2.4三边支承网架图8.2.3周边支承与点支承混合网架图8.2.5两边支承网架设计钢结构第八章大跨度房屋结构3.按网格组成分类两向正交正放网架两向正交斜放网架三向网架交叉桁架体系四角锥体系正放四角锥体系正放抽空四角锥网架斜放四角锥网架设计钢结构第八章大跨度房屋结构(1)交叉桁架体系这类网架由若干相互交叉的竖向平面桁架所组成。竖向平面桁架的形式与一般平面桁架相似。桁架的节间长度即为网格尺寸。这些平面桁架可沿两个方向或三个方向布置，当为两向交叉时其交角可为90°（正交)或任意角度(斜交)；当为三向交叉时其交角为60°。这些相互交叉的竖向平面桁架当与边界方向平行(或垂直)时称为正放，与边界方向斜交时称为斜放。桁架之间交角的变化和边界相对位置的不同，使得有下面的网架形式。设计钢结构第八章大跨度房屋结构◆两向正交正放网架两向正交正放网架的构成特点是：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且分别与边界方向平行。图8.2.6设计钢结构第八章大跨度房屋结构◆两向正交斜放网架两向正交斜放网架的构成特点是：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，是与边界成45°夹角。(a)(b)图8.2.7设计钢结构第八章大跨度房屋结构◆三向网架三向网架的构成特点是：三个方向的竖向平面桁架互成60°角斜向交叉。lh图8.2.8设计钢结构第八章大跨度房屋结构（2）四角锥体系网架正放四角锥网架：以倒四角锥体为组成单元，锥底的四边为网架的上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆，它的上、下弦杆均与相应边界平行。图8.2.9设计钢结构第八章大跨度房屋结构正放抽空四角锥网架：在正放四角锥网架的基础上，除周边网格不动外，适当抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸比上弦网格尺寸大一倍。图8.2.10设计钢结构第八章大跨度房屋结构斜放四角锥网架：以倒四角锥体为组成单元，由锥底构成的上弦杆与边界成45°夹角，而连接各锥顶的下弦杆则与相应边界平行。因此，它的上弦网格呈正交斜放，下弦网格呈正交正放。图8.2.11设计钢结构第八章大跨度房屋结构（1）一般计算原则网架结构的设计计算应遵循现行有关国家或行业标准的规定。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◆《网架结构设计与施工规程》JGJ7-918.2.3网架结构的设计特点8.2.3.1计算方法要点设计钢结构第八章大跨度房屋结构（2）计算方法及其特点根据需要可采用精确法或近似。◆空间桁架位移法，又称矩阵位移法。其计算过程在结构力学中有过介绍，即该法以杆件为基本单元，以节点三个线位移为基本未知量。先进行单元分析，得到单元刚度矩阵，后进行整体分析，得到结构总刚度矩阵和结构总刚度方程。再引进边界条件求得各杆件内力N。求得各杆件内力N后,按照本书前述轴心受力构件一章的内容进行设计验算。空间桁架位移法计算较精确，且适用范围广泛。设计钢结构第八章大跨度房屋结构◆差分法与拟夹层板法。差