大跨度钢结构专题教学PPT.ppt
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1、1,大跨度钢结构 Large-span Steel Structure,2,参考文献:,大跨度房屋钢结构哈尔滨建筑工程学院编,中国建筑工业出版社,1985.11 平板网架设计刘锡良等编著,中国建筑工业出版社,1979.7 空间结构浙江大学建筑工程学院等编著,中国计划出版社,2003.12 网架结构设计与技术规程JGJ7-91中国建筑工业出版社,1991 网壳结构技术规程JGJ61-2003中国建筑工业出版社,2003,3,主要内容,概述 平面结构 网架结构 悬索结构,4,第一章 大跨度房屋钢结构简介,1.1:大跨度钢结构的应用及其主要特点 1.2:大跨度房屋钢结构的类型 一:平面结构 梁式结构
2、 框架结构 拱式结构 二:空间结构 网架和网壳结构 悬索结构,5,1.1:大跨度钢结构的应用及其主要特点, 应用 公共建筑(剧院,展览馆,体育场馆,车站等) 专门用途的建筑 (飞机库,汽车库等) 生产性建筑(飞机制造厂装配车间,造船厂等) 主要特点 跨度大 290m 340m(国家体育场,刚架结构,2008) 主跨1385m (江阴长江大桥,悬索结构,1999) 个性化(非大量建设项目,方案的极其个性化),6,1.2:大跨度房屋钢结构的类型, 平面结构 由一些强度不大的纵向构件将平面结构连接起来构成 纵向构件层层重复传递荷载,并不分担荷载 梁式,框架式和拱式结构 空间结构 加强连接平面结构的纵
3、向构件以形成一个整体结构,共同承载 克服荷载层层重复传递,经济性好,整体刚度大,抗震性能好 主要包括悬索结构,网架和网壳结构等 空间作用(diaphragm,蒙皮效应),7,第二章 平面结构,2.1:梁式结构的特点和应用 2.2:框架结构的特点和应用 2.3:拱式结构的特点和应用,8,2.1 梁式结构的特点和应用,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 应用 可用于40m60m左右的工业和民用建筑物中 结构布置,复杂式,9,2.1 梁式结构的特点和应用(续),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5070m及更大时,采用桁架形式 桁架
4、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1/81/6(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),10,2.2 框架结构的特点和应用,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5060m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1/201/12 设置预应力拉杆减少跨中弯矩,横梁高度可取跨度的1/40
5、1/30,11,2.2 框架结构的特点和应用(续),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,12,2.2 框架结构的特点和应用(续),格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/201/12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4050m,高度约1520m)的建筑物 横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/251/15范围选取 应用 主要应用于工业建筑物中,13,2.3 拱式结构的特点和应用,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
6、度为4060m时,拱间距可取610m,无檩或型钢檩条,14,2.3 拱式结构的特点和应用(续),跨度达100m左右时,宜采用相距36m的拱对,拱对间距为915m,15,2.3 拱式结构的特点和应用(续),侧窗难以开启,且易积灰;檩条下移,构成横向天窗,16,2.3 拱式结构的特点和应用(续),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,拱顶铰使结构复杂化),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1/801/50 格构式截面高度可取跨度的1/601/30 水平推力 拉杆设置 支座设计 框架结构,
7、17,2.3 拱式结构的特点和应用(续),拱脚构造处理 构造不便 空间利用,应用 民用公共建筑 物中,18,第三章 网架结构,3.1:网架结构的特点和应用 3.2:网架结构的形式和种类 3.3:网架结构形式的选择 3.4: 网架结构主要尺寸的确定 3.5: 网架的内力分析方法 3.6: 网架在地震、温度及安装荷载作用下的 计算原则 3.7:网架的杆件选择和节点构造 3.8:网架的制作、安装和检验,19,特点 空间结构体系,高次超静定 能承受来自各个方向的荷载 整体性好,空间刚度大,体系稳定 抗震性能好 可利用小规格的杆件建成大跨度的结构 自重较轻,节约材料 杆件规格划一,适于工业化生产 适应性
8、好 应用 广泛应用于公共建筑及工业厂房中,3.1网架结构的特点和应用,20,3.2平板网架的形式和种类,网架类别(以网架构成方式分类) 交叉平面桁架体系(两组桁架交叉梁系、三组桁架交叉梁系) 交叉空间桁架体系(四角锥体、三角锥体、六角锥体),两向正交正放,网架表示法,21,3.2网架类别(续),两向正交斜放,两向斜交斜放,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 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,22,3.2网架类别(续),三向网架 三个方向的平面桁架相互交角60 比两向网架刚度大,适合大跨度 常用于正三角形,正
9、六角形平面 在某些平面形状会出现不规则杆件,正放四角锥网架,正放抽空四角锥网架,23,3.2网架类别(续),斜放四角锥网架,棋盘形四角锥网架,星形四角锥网架,斜放四角锥网架 受力合理,杆件数量少 屋面板类型多 屋面组织排水较困难 棋盘形四角锥网架 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。,三角锥网架,24,3.2网架类别(续),抽空三角锥网架,蜂窝形三角锥网架,三(多)层网架 减少弦杆内力(25% 60%),减小网格尺寸,大跨经济性好;杆件数量多,三层网架示意图,25,3.
10、3平板网架形式的选择,选择网架型式考虑的因素: 建筑物的平面形状和尺寸、支承情况、荷载大小、屋 面构造、建筑要求、制造和安装的方法及材料供应情况等 从平面形状和大小来看,当周边简支时: 平面为方形或接近方形,且为中小跨度时,宜采用两 向正交斜放交叉梁系网架,或正放和斜放四角锥网架。 平面为矩形时,宜采用两向正交斜放交叉梁系网架, 或斜放四角锥网架。 平面为圆形、八角形、六角形、扇形,且平面尺寸较 大时,可选用三向交叉梁系网架,或三角锥网架。 从屋面构造来看: 正放网架的屋面板规格常一种,而斜放网架却有两三 种。倒锥体网架的上弦网格较小,因而屋面板规格也较小,26,3.3平板网架形式的选择(续)
11、,而正锥体网架却相反。 从支承条件来看: 当采用四点支承或四点支承的连续网架时,宜采用两 向正交正放交叉梁系网架或正放四角锥网架。 从跨度和荷载来看: 跨度和荷载皆较小时,锥体网架可采用部分抽空的办 法进一步节约钢材。 从制造和施工的角度来看: 交叉平面桁架体系要比空间桁架体系简便些。 从杆件截面和节点构造的合理性来看: 最宜采用钢管杆件和球节点,但价格较高且材料供应 常有困难。不如角钢杆件和钢板节点方便而便宜。,27,3.4 网架主要尺寸的确定,网架几何尺寸,注:L2 是以米计的网架短向跨度;跨度小于18米时网格数可适当减少。,28,网架主要尺寸的确定(续),网架起拱和屋面排水 网架起拱 一
12、般情况下,网架刚度较大,不需要起拱。只有当跨度大于60m时,才采用L2/300的 起拱度。 屋面排水坡度 网架起拱 适于双坡排水;抗震性好;起拱高度过大,内力分析应计及,支承柱变高度,网架变高度 可降低弦杆内力,使其趋于均匀;抗震性好;杆件种类增多 上弦节点设置小立柱(常用) 可构造双坡,四坡或其它复杂的多坡排水屋面;跨度大时要作稳定和抗震计算,29,3.5 网架的内力分析,平板网架的内力分析方法很多,最常采用的有下列几种: 矩阵位移法:把网架离散为各个杆件,建立单杆的杆端力和杆端位移的关系方程,然后根据力的平衡条件,建立起各个节点的平衡方程,以节点位移为未知数,解出位移后再确定全部内力。这是
13、目前网架内力分析中比较精确的方法,有电算的通用程序可以使用,它适用于各种平面形状和支承条件的网架,交叉梁系差分法:把空间网架简化为交叉梁系,只考虑体系的垂直位移,同时假设上下弦节点的垂直位移相等。按照交叉梁系理论列出挠曲平衡微分方程,解出挠度,然后进行弯矩和剪力的计算。为了避免求解微分方程之繁,常采用差分法求解。,30,网架的内力分析(续),拟夹层板法:把网架连续化为由三层不同材料组成的夹层板,考虑网架剪切变形的影响,以一个挠度和两个转角共三个广义位移为未知量,采用弹性平板弯曲理论建立基本微分方程。然后用差分法或级数法解出挠度、弯矩和剪力。再根据弯矩和剪力确定网架内力。,本法适用于两向正交正放
14、,正放四角锥及正放抽空四角锥网架。我国网架结构设计与施工规程JGJ17-91中列有表格可直接查取拟板的内力和位移系数,再按相应公式求得杆件内力和挠度。,假想弯矩法:假定网架下弦节点又一个假想弯矩能满足平衡要求,根据静力平衡条件导出弯矩方程,然后逐个节点写出以假想弯矩为未知数的多元一次联立方程。解出假想弯矩后,即可求得网架杆件的内力。此方法适用于斜放四角锥和抽空四角锥网架。,31,3.6 网架在地震,温度及安装荷载作用下的计算原则,一:地震作用 网架结构属于高次超静定结构,具有良好的抗震性能。其抗震计算可按下列规定进行。,1:竖向地震作用,在抗震设防烈度为6度或7度的地区,网架屋盖结构可不进行竖
15、向抗震验算;在抗震设防烈度为8度或9度的地区,网架屋盖结构应进行竖向抗震验算。竖向地震作用标准值按下式确定: FEvKi = vGi,2:水平地震作用,在抗震设计烈度为7度的地区,可不进行水平方向的抗震验算;在抗震设计烈度为8度的地区,对于周边支承,32,3.6 网架在地震,温度及安装荷载作用下的计算原则,的中小跨度网架可不进行水平抗震验算;在抗震设计烈度为9度的地区,对各种网架结构及其下部支承结构均应进行水平抗震验算。 水平地震作用下的网架内力、位移可采用空间桁架位移法计算 网架的支承结构应按有关规范的相应规定进行抗震计算。,33,网架在地震,温度及安装荷载作用下的计算原则(续),二:温度应
16、力 网架结构施工完毕时的气温和网架使用阶段最高或最低环境温度的差别,将引起网架杆件的温度伸长或缩短,如果这些温度变形受到阻碍,将产生温度应力。一般温差变化常按300C计算。 温度变化引起的网架内力,可采用矩阵位移法或其他近似方法计算。 网架结构符合下列条件之一时,可不考虑温度应力:(1).支座节点的构造允许网架侧移时,其侧移值应大于或等于“网架规程”所给表达式的计算值;(2).当周边支承的网架,且网架验算方向跨度小于40米时。支承结构应为独立柱或砖壁柱。(3).在单位力作用下,柱顶位移大于或等于“网架规程”所给表达式的计算值。,34,网架在地震,温度及安装荷载作用下的计算原则(续),三:安装荷
17、载 网架在整体吊装时,随着吊点位置的不同,杆件内力和设计内力不同,对某些杆件可能产生不利影响。因此,必须进行安装荷载验算,并合理地选定吊点。 进行安装荷载验算时,应采用安装荷载动力系数来考虑起吊过程中起吊加速度的动力效应。当采用提升法或顶升法施工时,动力系数取1.1;当采用把杆吊装时,取1.2;当采用履带式或轮胎式起重机时,取1.3。,35,3.7 网架杆件选择和节点构造,一:杆件选择,1:材料:Q235,Q345,Q390,Q420等 2:截面型式:圆钢管,方钢管,角钢及组合截面 采用圆钢管时,截面不宜小于48X2;采用角钢时 不宜小于L45X3或L56X36X3。 3:杆件的计算长度及允许
18、长细比:见“网架规程”第4.1.2 条和第4.1.3条。 4:截面选择:截面尺寸根据杆件内力按轴心受力构件确 定。所选截面规格不宜过多。,36,网架杆件选择和节点构造(续),二:节点种类和特点 1:节点设计要求:工作可靠,构造简单,加工和安装方便,节约材料。 2:节点种类: 内部节点:钢板节点,焊接球节点,螺栓球节点,相贯节点,焊接钢管节点,圆环节点,鼓式节点,毂状节点等。 外部节点:支座节点,悬挂节点,屋盖节点等。 3:节点设计:钢板节点、焊接球节点、螺栓球节点、支 座节点设计与构造,37,3.8 网架的制作,安装和检验,一:网架的制作:网架属于钢结构,其制作过程为:放样,好料,下料,焊接,
19、涂装,编号,包装和发运。同时应注意:a:在工厂制成小单元体或单片桁架,送到现场拼成空间整体的网架:b:要求制造精度高,并在出厂前必须经过预拼装;c:采用球结点时,须增加球结点的制造工艺。,二:网架的安装,1:网架常用的施工方法:a:高空散装法;b:分条分块安装法;c:高空滑移法;d:移动支架安装法;e:整体吊装法;f:整体提升法; g:整体顶升法。,2:确定施工方法考虑的因素:a:结构型式和结构的形状;b:施工的成本;c:结构的跨度和重量;d:施工的安全性;e:施工工期;f:屋面上设备安装情况。,38,网架的制作,安装和检验(续),三:网架的防腐与防火,1:网架的防腐:网架结构的杆件和节点采用
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