TJDX建筑钢结构设计课件PPT之5-空间网架结构网壳结构.ppt
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1、空间网架结构,参考资料,1.刘锡良,韩庆华编著.网格结构设计与施工,天津大学出版社,2004 2.沈祖炎,陈扬骥编著.网架与网壳,同济大学出版社,1997 3.中华人民共和国行业标准,网架结构设计与施工规程(JGJ7-91),1991 4.中华人民共和国行业标准,网壳结构技术规程(JGJ61-2003,J258-2003),2003 5.中华人民共和国行业标准,网架结构质量检验评定标准(JGJ78-91),1991 6.International Journal of Space Structures, University of Surrey, UK 7. Bulletin of Inter
2、national Association of Shells and Space Structures, IASS,教学内容,1.空间结构概论 2.网架的分类 3.网架的设计与计算 4.网壳的分类、设计与计算 5.网架、网壳的制作、安装及防腐、防火处理,1 空间结构概论,空间结构的形式 网架与网壳的工程应用 网架与网壳的优缺点 部分工程事故,1.1 空间结构的形式 刚性结构体系(网架、网壳) 柔性结构体系(悬索、膜、张拉整体) 杂交结构体系(斜拉、悬挂、拱支、弦支)-hybrid and composite 折叠结构 开合结构 玻璃结构,一. 刚性结构体系,1) 网架(平板) 目前空间结构中应
3、用最为广泛,共有三大类(交叉桁架系、四角锥体系和三角锥体系)13种。 特点是构造简单、施工方便,杆件规格统一(上、下弦杆等长,腹杆等长)。,2)网壳 柱面网壳 球面网壳(肋环型、Schwedler、联方型、凯威特型、短程线型及三向网格型) 其它各类复杂曲面(不规则)及其组合 单双层组合,单层柱面网壳的形式,单层球面网壳的形式,河北省科技馆宇宙剧场球幕放映厅,北京奥运会老山自行车馆效果图,Structural layout of Laoshan Cycling Gymnasium,Ring truss and V-shaped column,Finite element analysis mod
4、el,Double-layer reticulated dome in construction,Laoshan Cycling Gymnasium: outside view,Laoshan Cycling Gymnasium: inside view,双曲马鞍面网壳 -成都温江新城会展中心 (120mX72m),二. 柔性结构体系,1)悬索结构 由高强拉索组成的张力结构。 国内较早建成的是天津大学体操馆(62年设计施工)。 关键问题是结构在风与地震作用下的动力反应。,单层悬索结构 双层悬索结构 索网结构,2)膜结构 充气膜(1988年日本东京体育馆) 张力膜(1997年上海八万人体育场)
5、影响广泛使用的原因:国产膜材性能差,进口膜材价格高;膜结构的计算机辅助设计系统的开发滞后;缺乏相应的设计施工规程。,英国伦敦千年穹顶 (The Millennium Dome),3)张拉整体(Tensile-IntegrityTensigrity) 一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自平衡的空间网格结构。,三.杂交结构体系,斜拉网架(网壳) 悬挂网架(网壳) 拱支网架(网壳) 弦支结构(平面或空间),拱支网壳结构 由于拱的作用,整体网壳被划分成若干小的区段,使得网壳的整体稳定性转化为局部区段的稳定性问题,部分杆件或区段的局部失稳不会波及整个结构。,Structural la
6、yout of the suspen-dome in TEDA,China,Plate joint for suspen-dome in TEDA,Suspen-dome in TEDA: in construction,93m跨的北京工业大学体育馆(奥运羽毛球、艺术体操)采用索承网壳。,比赛馆,热身馆,四.折叠结构,用时展开,不用时收起的结构(雨伞、遮阳伞); 生活中:施工棚、集市大棚、临时住宅等; 军事上:战地指挥、战地救护等; 航空上:太阳帆、可展式天线等。,五.开合结构,与体育事业的发展密切相关:在比较恶劣的环境条件下保护观众和运动员,实现了能在预定时间内进行预定比赛的目的; 开合方式
7、:水平移动、水平旋转、空间移动及其组合; 开合时间:2025min。,平面形式:平面为椭圆形,长轴340m短轴292m。屋盖中间 有一个146m76m的开口,这部分将设计成开合屋盖。 结构形式:空间刚架绕着内环旋转而成。,国家体育场,六.玻璃结构,新型玻璃结构点式玻璃幕墙,省去了支撑框架,代以拉索、桁架及钢爪,玻璃的通透性大大增强,结构的抗风和抗震性能也好与普通的玻璃幕墙; 玻璃结构的材料:浮法玻璃、钢化玻璃及淬火玻璃。,1.2 网架与网壳的工程应用,体育建筑 机场建筑 车站建筑 宾馆、会堂及展览馆 工业厂房 小品建筑,一.体育建筑,2008北京奥运会老山自行车馆(跨度133.06米,外挑8.
8、238米,覆盖直径149.536米;双层球面网壳,焊接球节点); 天津体育中心(跨度108米,外挑13.5米,覆盖直径135米;双层球面网壳,焊接球节点); 天津大学北洋游泳馆(跨度37米); 哈尔滨速滑馆(跨度85米,长190米) 大连金州体育场看台。,网壳结构采用焊接空心球节点,柱顶采用相贯节点,柱脚采用铸钢节点,焊接球节点直径为300600mm,钢管直径为114203/1200mm。整个结构的总用钢量为1950t,合108kg/m2,其中网壳部分的用钢量约为90kg/m2。,二.机场建筑,深圳机场侯机大厅; 北京首都机场飞机检修库。,三.车站建筑,济南长途汽车总站客运楼; 高速公路收费站
9、、加油站。,四.宾馆、会堂及展览馆,天津科技馆(D=29米); 河北科技馆(D=30米); 天津自然博物馆; 天津平津战役纪念馆; 廊坊制陶博物馆。,五.工业厂房,南京金陵石化总厂热电厂干煤棚(跨度60米,长度73.8米,高28.8米); 天津无缝钢管厂。,六.小品建筑,温州地标(高40.8米,跨度30米); 广东南海观音大佛(高46米,平面35*30米)。,塘沽幻想公园雕塑 (张拉整体 Tensigrity 高30m),大连新世纪纪念塔(高100m),1.3 网架与网壳的优缺点,1.优点: 受力合理,可以跨越较大的跨度; 结构组成灵活,有规律; 计算机辅助设计比较成熟; 加工制作机械化程度高
10、。 2.缺点: 节点用钢量较大,加工费较高; 单层网壳属缺陷敏感性结构,计算分析较为复杂。,1.4 部分工程事故,湖南某地干煤棚(72X140米)整体倒塌(2000年4月); 天津红桥地毯厂生产车间(1995年10月)。,2 网 架 结 构,主要内容,网架结构概述 网架结构的荷载、作用与一般设计原则 网架结构的基本理论和分折方法 网架结构的有限元法空间桁架位移法 网架结构的拟夹层板分析法 网架结构的抗震分析 网架结构杆件设计与节点构造,2.1 网架结构概述,2.1.1网格结构与网架结构定义 空间网格结构是由多根杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构。 空间网格结构通常可分为双层
11、(多层)平板网格结构(网架结构或网架),单层和双层的曲面网格结构(网壳),网格结构是网架与网壳的总称。,2.1.2 网架结构的优越性,1.空间工作,传力途径简捷,是一种较好的大跨度、大柱网屋盖结构。 2.重量轻,经济指标好 。 3.刚度大,抗震性能好。 4.施工安装简便。 5.杆件和节点便于定型化、商品化,可在工厂中成批生产,有利于提高生产效率。 6.网架的平面布置灵活,屋盖平整,有利于吊顶、安装管道和设备。,2.1.3 网架结构的形式与分类,主要有15种网架,根据其组成可划分为四大类。 1、由平面桁架系组成的网架结构,它是由平面桁架发展和演变过来的。由于平面桁架系的数量和设置方位不同。这类网
12、架又可分成四种: (1)两向正交正放网架;(2)两向正交斜放网架; (3)两向斜交斜放网架;(4)三向网架。,2、由四角锥体组成的网架结构,它的基本单元是由4根弦杆、4根斜杆构成的正四角锥体。由这些四角锥体排列组成网架时,还要用上弦杆或下弦杆把相邻的锥顶连接起来。根据锥体的组合方式和连接锥顶弦杆的方向不同,这类四角锥体组成的网架又可分为六种: (1)正放四角锥网架;(2)正放抽空四角锥网架; (3)斜放四角锥网架;(4)棋盘形四角锥网架; (5)星形四角锥网架; (6)单向折线形网架,又称折板型网架。,3、由三角锥体组成的网架结构,它的基本单元是由3根弦杆、3根斜杆所构成的正三角锥体,即四面体
13、。三角锥体可以顺置,也可以倒置。根据三角锥体的组合方式和连接锥顶弦杆的方法不同,这类三角锥体组成的网架又可分为四种:,(1) 三角锥网架:由顺置的错格排列的三角锥体与三向互成60的上弦杆系连接而成。 (2)抽空三角锥网架I型:它可由三角锥网架跳格式地抽去锥体的3根斜杆和相应的6根下弦杆而成。 (3)抽空三角锥网架型:它可由三角锥网架采用另一种跳格方式,抽去锥体的3根斜杆和相应的6根下弦杆而成。 (4)蜂窝形三角锥网架:这是由倒置的三角锥体两两相连而成 。,4.由六角锥体组成的网架结构,它的基本单元体是由6根弦杆、6根斜杆构成的正六角锥体,即七面体。,2.1.5 网架结构的选型,影响网架选型的因
14、素是多方面的,如网架制作、安装方法、用钢指标、跨度大小、刚度要求、平面形状、支承条件等都在一定程度上影响着确定采用哪一种网架形式。 1如节点采用焊接,由平面桁架系组成的网架,其制作比由四角锥体组成的网架较为方便;两向正交网架又比两向斜交网架及三向网架方便;四角锥网架比三角锥网架方便。,2安装方法不采用整体提升或吊装,采用分条或分块安装,或采用高空滑移法时,选用两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架等三种正交正放类网架比选用斜放类网架有利。 3用钢指标是衡量网架选型的一项重要标志。,4计算表明,跨度大小对网架选型的影响不大。但大跨度网架一般都是重要的建筑,目前在我国用得较多的是两向
15、正交正放网架、两向正交斜放网架和三向网架等一类平面格架系组成的网架结构。因为这几种大跨度网架的设计与施工经验比较丰富,技术比较熟练。三向网架、三角锥网架、六角锥网架、一般构造较为复杂,用钢量大,故在中小跨度中宜少采用。,5.网架的刚度比平面屋架好得多,但各种网架之间,不论是水平刚度还是垂直刚度,其差别是不小的。如斜放四角锥网架,它本身是几何可变的,在增设边缘构件或有强大的圈梁时才能保证其几何不变性。一般地说,节点数和杆件数较多的网架,如三角锥网架、六角锥网架、三向网架、正放四角锥网架,其刚度较大;反之,如斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架、抽空三角锥网架I、II型、蜂窝形三角锥网架,其节点数和杆
16、件致较少,则刚度也较小。,6平面形状为圆形、正六边形和接近圆形的多边形网架,从平面布置及建筑造型看,比较适宜采用三向网架、六角锥网架、三角锥网架、抽空三角维网架 I、II型和蜂窝形三角锥网架。特别是当平面形状为正六边形时,这几种网架的网格规整,杆件类型少,施工方便;如采用其他类型网架,则边界附近网格不规整,比较零乱,杆件类型增多,施工制作不便。,7多点支承的网架,选用正交正放类网架较为合适。多点支承时这种正交正放类网架的受力性能比斜放类网架合理,挠度也小。经过四点支承网架计算表明,在条件相同的情况下,两向正交正放网架与两向正交斜放网架的最大内力比约为5/7,挠度比约为6/7,而且斜放类网架在自
17、由边界还要增设封边的边缘杆件,增加了杆件数量和材料用量。三边支承一边开口的网架,也宜选用正交正放类网架。周边支承和多点支承相结合的网架,则可采用正交正放类网架,也可选用斜放类网架,但一般不宜采用三向网架和三角锥体、六角锥体组成的网架。,8对跨度不大于40m多层建筑的楼层及跨度不大于60m的屋盖,可以采用以钢筋泥凝土板代替钢上弦的组合网架;组合网架宜选用正放四角锥组合网架、正放抽空四角锥组合网架、两向正交正放组合网架、斜放四角锥组合网架及蜂窝形三角锥组合网架。 网架选型是一个比较复杂的问题,必须根据实用与经济的原则,进行多方案综合分析比较确定。最主要的影响因素是施工制作和用钢指标这两个因素。,2
18、.2网架结构的荷载、作用与一般设计原则,2.2.1 荷载类型 网架结构的荷载主要是永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对永久荷载应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。 1.永久荷载 作用在网架结构上的永久荷载: (1) 网架自重:网架杆件大多采用钢材,它的自重可通过计算机自动形成。也可预先估算网架单位面积自重 节点自重一般占网架杆件总重的15一25。如果网架节点的连接形式己定,可根据具体的节点规格计算出其节点自重。,(2) 楼面或屋面覆盖材料自重:根据实际使用材料查建筑结构荷载规范GB 50009
19、取用。如采用钢筋混凝土屋面板,其自重取1.01.5kN/m2;采用轻质板,其自重取0.30.7kN/m2。 (3) 吊顶材料自重。 设备管道自重。 上述荷载中,(1)、(2)两项必须考虑,(3)、(4)两项根据实际工程情况而定。,2 .可变荷载 作用在网架结构上的可变荷载: (1)屋面或楼面活荷载:网架的屋面,一般不上人,屋面活荷载标准值为0.5kNm2。楼面活荷载根据工程性质查荷载规范取用。 (2)雪荷载:雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑,取两者的大值。对雪荷载敏感的结构,基本雪压应适当提高,并应由有关的结构设计规范具体规定。雪荷载的组合值系数可取0.7;频遇值系数可取0.6;准永久值系数应按
20、雪荷载分区I、II和III的不同,分别取0.5、0.2和0。,(3)风荷载:对于周边支承且支座节点在上弦的网架,风载由四周墙面承受,计算时可不考虑风荷载。其他支承情况,应根据实际工程情况考虑水平风荷载作用。 (4)积灰荷载:工业厂房中采用网架时,应根据厂房性质考虑积灰荷载。 (5)吊车荷载:悬挂吊车直接挂在网架下弦节点上,对网架产生吊车竖向荷载。桥式吊车在吊车梁上行走,通过柱子对网架产生吊车水平荷载。,2.2.2 温度作用,温度作用是指由于温度变化,使网架杆件产生附加温度应力,必须在计算和构造措施中加以考虑。网架结构是超静定结构,在均匀温度场变化下,由于杆件不能自由热胀冷缩,杆件会产生应力,这
21、种应力成为网架的温度应力。温度场变化范围是指施工安装完毕(网架支座与下部结构连接固定牢固)时的气温与当地常年最高或最低气温之差。另外工厂车间生产过程中引起温度场变化,这可由工艺提出。 目前温度应力的计算方法有:采用空间杆系有限元法的精确计算方法和把网架简化为平板或夹层板构造的近似分析法。,符合下列条件之一者,可不考虑由于温度变化而引起的内力: 支座节点的构造允许网架侧移时,其侧移值应等于或大于下式的计算值: 当周边支承的网架且网架验算方向跨度小于40m时,支承结构应为独立柱或砖壁柱; 在单位力作用下,柱顶位移大于或等于上式的计算值。当网架支座节点构造沿边界法向不能相对位移时,由温度变化而引起的
22、柱顶水平力可按下式计算:,2.2.3 地震作用,网架由地震引起的振动称为网架的地震反应,它包括内力、变形和位移。网架的地震反应大小不仅与外来干扰作用(地震波)的大小及其随时间的变化规律有关,还取决于网架本身的动力特性,即网架的自振周期和阻尼。由于地震的地面运动为一种随机过程,运动极不规则,网架又是空间结构,动力特性十分复杂,要正确分析网架的动力反应比较困难,常作以下简化假定: (1)结构可离散为多个集中质量的弹性体系; (2) 结构振动属于微幅振动,即结构的振动变形很小,仍属于小变形范畴。线性叠加原理可以适用; (3) 振动时结构的地基各部分作同一运动,即不考虑地面运动 的相位差的影响;,(4
23、) 结构的阻尼很小,可以忽略结构各振型之间的耦联影响。 网架的地震作用取决于地面运动的加速度和网架自身固有的动力特性,可采用振型分解反应谱法和时程法进行计算。 根据我国 网架结构设计与施工规程 JGJ7 - 91 规定: 在抗震设防烈度为 7 度的地区,可不进行网架结构水平抗震验算。 在抗震设防烈度为 8 度的地区,对于周边支承的中小跨度网架可不进行水平抗震验算; 在抗震设防烈度为 9 度的地震区,对各种网架结构均应进行水平抗震验算。 水平地震作用下网架的内力,位移可采用空间桁架位移法计算。,2.2.4 荷载效应组合,根据使用和施工过程中可能出现的最不利荷载进行组合。荷载组合的一般表达式为 无
24、吊车荷载和风荷载、地震作用时,网架应考虑以下荷载组合: (1)永久荷裁十可变荷载; (2)永久荷载十半跨可变荷载; (3)网架自重十半跨屋面板自重十施工荷载。 后两种荷载组合主要考虑斜腹杆的变号。当采用轻屋面(如压型钢板)或屋面板对称铺设时,可不计算。 当考虑风荷载和地震作用时,其组合形式可按上式计算。,考虑多台吊车竖向荷载组合时,对一层吊车的单跨厂房的网架,参与组合的吊车台数不应多于2台;对于一层吊车的多跨厂房的网架,不多于4台。 吊车荷载是移动荷载,目前采用的组合方法是由设计人员根据经验选定几种吊车组合及位置,作为单独的荷载工况进行计算,在此基础上选出杆件的最大内力,作为吊车荷载的最不利组
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