大跨度鋼結構PPT課件

1 第3章大跨度房屋結構3 1概述應用范圍1 大會堂2 劇院3 體育館4 市場5 航空港7 工廠 倉庫 造船廠結構形式1 平面結構體系 50 70m 梁式結構 平面桁架和空間桁架 平面剛架和拱式結構2 空間結構體系 100 200m 網架結構 網殼結構 懸索結構和張拉整體結構以及混合結構 2 3 2 1梁式大跨結構 桁架 1 桁架的形式平面桁架 40 60m 空間桁架 100m 2 梁式體系屋蓋布置 簡單式 復雜式 P1063 2 2框架結構 1 框架的形式 實腹式和格構式 兩鉸及無鉸框架 2 框架式結構的布置橫向框架布置 P108 縱向框架布置 P108 雙面框架布置 P108 3 2平面結構體系 3 3 2 3拱結構 1 拱的形式 2 拱式結構的布置3 3網架結構3 3 1網架結構的特點 適用范圍3 3 2網架的結構形式及選型 1 網架結構的幾何不變性分析 2 網架的組成 網架是由上弦桿 下弦桿兩個表面及上下弦面之間的腹桿組成 一般稱為雙層網架 最為常用 3 網架的結構形式 交叉桁架體系網架 角錐體系網架 網架的結構選型 安全可靠 技術先進 經濟合理 美觀適用 4 3 3 3網架的主要尺寸 1 網架的高度 網架的跨度 屋面荷載 平面形狀 支承條件及設備管道 主要取決于網架的跨度可按表3 1來確定 2 網格尺寸 上弦網格尺寸 按表3 1定3 3 4作用和荷載組合 1 永久荷載 網架自重 樓面或屋面自重 保溫層 防水層 吊頂 設備管道等材料的自重 雙層網架結構的自重可按下列經驗公式估算 3 2 5 2 可變荷載網架結構上的可變荷載主要有屋面或樓面活荷載 雪荷載 積灰荷載 風荷載以及吊車荷載 其中在荷載組合時 雪荷載與屋面活荷載不必同時考慮 取兩者的較大值 屋面或樓面活荷載的取值 可根據實際使用情況查現行荷載規(guī)范確定 在荷載組合時 雪荷載與屋面活荷載不必同時考慮 取兩者的較大值 積灰荷載的取值 應考慮廠房性質 由生產工藝提出 或按荷載規(guī)范規(guī)定參考采用 風荷載應根據實際情況考慮風荷載的影響 例如 對于周邊支承 且支座節(jié)點在上弦的網架的風荷載由四周墻承受 計算時可不考慮風荷載 吊車荷載標準值按現行荷載規(guī)范有關規(guī)定確定 6 3 溫度作用溫度作用是指由于溫度變化 會引起桿件的伸長或縮短 如果這種溫度變形受到約束 網架桿件將產生附加溫度應力 必須在計算和構造措施中加以考慮 當網架結構符合P120條件之一者 可不考慮溫度變化而引起的內力 4 地震作用一般情況下 在抗震設防烈度為6度或7度的地區(qū) 網架屋蓋結構可不進行豎向抗震驗算 在抗震設防烈度為8度或9度的地區(qū) 網架屋蓋結構應進行豎向抗震驗算 7 3 3 4 2荷載效應組合1 承載能力極限狀態(tài)對于承載能力極限狀態(tài) 應按下列組合值中取最不利值進行設計 對于非抗震設計時 結構構件的荷載效應組合的設計值應按下式計算 1 由可變荷載效應控制的組合2 由永久荷載效應控制的組合 3 4 3 5 8 對于抗震設計時 結構構件的地震作用效應和其他荷載效應組合的設計值應按下式計算 2 正常使用極限狀態(tài) 3 6 3 7 網架結構的容許撓度不應超過下列數值 用作屋蓋 L 250 用作樓蓋 L 300 L為網架的短向跨度 當網架結構的最大撓度值不滿足容許撓度限值時 需要重新調整結構剛度或通過適當起拱的方法來解決 有起拱要求時 其撓度不得大于短向跨度的1 300 9 3 3 5網架結構的計算方法1 空間桁架位移法空間桁架位移法 空間桿系有限元法 以網架結構的桿件作為基本單元 以節(jié)點位移作為基本未知量 先對桿件單元進行分析 根據虎克定律建立單元桿件內力與節(jié)點位移之間的關系 形成單元剛度矩陣 然后再對結構進行整體分析 根據各節(jié)點的變形協(xié)調條件和靜力平衡條件建立結構上的節(jié)點荷載和節(jié)點位移之間的關系 形成結構的總剛度矩陣和總剛度方程 求解引入給定邊界條件后的總剛度方程 得出各節(jié)點的位移值 最后 由單元桿件內力與節(jié)點位移之間的關系求出桿件內力 空間桁架位移法是目前空間桿系結構計算精度最高的一種方法 實踐證明計算結果與試驗值極為接近 適用于各種類型 各種平面形狀 不同邊界條件的網架 靜力荷載 地震作用 溫度作用等工況均可計算 也可同時考慮網架與下部支承的共同作用 10 2 交叉梁系差分法交叉梁系差分法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系組成的網架或正放四角錐網架的計算 3 擬夾層板法擬夾層板法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系組成的網架或角錐網架的計算 此法可考慮剪切變形和剛度變化的影響 4 假想彎矩法假想彎矩法可用于斜放四角錐網架 棋盤形四角錐網架的估算 11 3 3 7網架的桿件與節(jié)點桿件的材料一般用Q235鋼和16Mn鋼 16Mn鋼強度高 塑性好 當荷載較大或跨度較大時 宜采用16Mn鋼 可以減輕網架自重和節(jié)約鋼材 網架常采用圓鋼管 角鋼 薄壁型鋼作為桿件 圓鋼管截面封閉 且各向同性 抗彎剛度各向都相同 回轉半徑大 抗扭剛度大 因此受力性能較好 承載力高 桿件優(yōu)先選用圓鋼管 且最好是薄壁鋼管 但圓鋼管的價格較高 因而對于中小跨度且荷載較小 也可采用角鋼或薄壁型鋼 桿件截面型式的選擇主要與網架的網格形式和節(jié)點形式有關 對于交叉平面桁架體系 可選用角鋼或圓鋼管 對于角錐體系網架則應選擇圓鋼管 若采用鋼板節(jié)點 宜選用角鋼桿件 若采用焊接球節(jié)點 螺栓球節(jié)點 則應選用圓鋼管桿件 網架桿件一般情況下為軸心受力桿件 也可能為拉彎或壓彎桿件 具體應根據鋼結構設計規(guī)范進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩方面的設計計算 12 圖3 48鋼板節(jié)點 a 角鋼鋼板節(jié)點 b 管筒米字型板節(jié)點 圖3 49焊接空心球 圖3 50螺栓球節(jié)點 13 3 4網殼結構3 4 1網殼結構形式及選型1網殼結構的常用形式2網殼結構的選型網殼結構的設計應根據建筑物的功能 平面形狀和尺寸 網殼的支承方式 荷載大小 建筑構造與要求 綜合考慮材料供應和施工條件以及制作安裝方法 選擇合理的網殼結構形式 以取得良好的技術經濟效果 一般情況下 單層網殼結構由于穩(wěn)定性較差 只適合于中 小跨度的建筑 而雙層網殼適合于跨度大小40m的建筑 當網殼結構承受較大的非對稱荷載或集中荷載時 對于單層網殼結構應選用球面短程線型 凱威特型 柱面雙斜桿型和聯(lián)方型等穩(wěn)定性好的網格形式 網殼的矢高對結構受力性能影響很大 當網殼的跨度較小時 可選用矢高較小的雙曲扁網殼或落地式的雙曲拋物面網殼 當跨度較大時 應選用矢高較大的球面或柱面網殼 14 3 5懸索結構3 5 1懸索結構形式及選型1懸索結構的常用形式2懸索結構的選型懸索結構的設計選型時 建筑物的功能 平面形狀 結構跨度以及荷載大小等將是結構選型的主要考慮因素 通常矩形平面可采用單層單向懸索 承重索沿長邊方向布置 或雙層單向懸索 索沿短邊向布置 在圓形平面中可采用單層或雙層輻射狀懸索及索網結構 在接近方形的平面和橢圓形平面中則選用索網結構較為合適 當平面為梯形或扇形 采用單層或雙層懸索體系時 索的兩端支點應按等距離設置 索系可按不平行布置 一般情況下 單層懸索結構體系由于形狀穩(wěn)定性較差宜采用重屋面或通過設置橫向加勁構件來改善其工作性能 雙層懸索體系 索網結構宜采用輕屋面 也可采用重屋面 雙層單向懸索結構應設置足夠的邊緣支撐構件來加強結構的整體性 輻射狀懸索結構布索時為了不使外環(huán)錨固孔過密而削弱環(huán)截面 上 下索宜錯開布置 因此上 下索數量相等或呈倍數 以使外環(huán)受力均勻 15 3 6其他新型空間結構1拉整體結構 圖3 68張拉整體結構示意圖 圖3 69美國亞特蘭大奧運會主體育館 16 2混合空間結構 江西省體育館屋蓋結構 拱 空間網架結構 17 上海石化總廠附中體育館拱支單層柱面網殼 2 拱一空間網殼結構 18 四川省體育館 3 拱一懸索混合結構 19 沙特阿拉伯首都利雅德的法赫德國際體育場 4 張拉薄膜結構 20 5 斜拉混合結構 上海八萬人體育場 深圳歡樂谷中心表演場 21 6 索一桁架結構 安徽省體育館的索 桁架組合屋蓋結構 a 屋面平面結構 b 縱剖面圖 22 3開合屋蓋結構1 自承式開合屋蓋結構2 它承式開合屋蓋結構3 折疊式開合屋蓋結構 a 閉合狀態(tài) b 開啟狀態(tài)3 85日本海洋穹頂 23 閉合狀態(tài) b 開啟狀態(tài)圖3 86大分體育館 圖3 87福岡穹頂 24 桁架形式 圖3 1平面桁架 圖3 2空間桁架 25 圖3 3預應力桁架 屋蓋結構用于跨度為50 100m時特別經濟 26 圖3 5實腹式雙鉸框架 L 50 60m H L 20 L 12 圖3 6格構式框架 雙鉸 無鉸 預應力H L 30 L 10 27 圖3 7折線形格構式框架 高度15 20m H 1 25 1 15 圖3 8各種預應力框架 28 圖3 12拱的形式 展覽館 體育館 飛機庫 倉庫 圖3 13設有抬高拉桿的拱 a 雙鉸拱 b 三鉸拱 c 無鉸拱 29 圖3 14多跨拱 多跨拱常用于火車站 展覽館及其它類似建筑中 相鄰跨的橫向反力大都能相互抵消 僅在各跨活荷載不等和受風荷載作用時 才受彎 因此支座的截面不大 30 圖3 18網架形式 a 平板型網架 雙層 b 殼型網架 單層 雙曲 c 殼型網架 單層 單曲 31 圖3 20兩向正交正放網架 圖3 21兩向正交斜放網架 構造簡單 便于制作安裝 適用于正方形 近似正方形的建筑平面 跨度以30 60m的中等跨度為宜 適用于建筑平面為正方形或長方形的中大跨度的情況 32 圖3 23兩向斜交斜放網架 圖3 24三向交叉網架 構造復雜 受力性能不好 因而很少采用 一般用于建筑平面兩方向柱距不等的情況 節(jié)點構造比較復雜 適用大跨度建筑 l 60m 特別適用于三角形 多邊形和圓形的建筑平面 33 圖3 25三角錐網架 圖3 26抽空三角錐網架圖3 27蜂窩形三角錐網架 網架桿件減少 用料較省 構造也較簡單 但空間剛度不如前者 適用于較小跨的三角形 六邊形和圓形平面的建筑 上弦平面的六邊形網格增加了屋面板布置與屋面找坡的困難 這種網架適用于中 小跨度的周邊支承的六邊形 矩形和圓形平面的建筑 34 圖3 28正放四角錐網架 圖3 29正放抽空四角錐網架 受力較均勻 空間剛度較好 則屋面板規(guī)格統(tǒng)一 上下弦桿長度相同 制作 構造簡單 但桿件數量多 用鋼量大些 適用于建筑平面接近正方形平面的中 小跨度周邊支承的情況 也適用于大柱網 點支承 設有懸掛吊車的工業(yè)廠房的情況 節(jié)點匯集的桿件數目少 構造簡單 這種網架適用于中小跨度和矩形平面的建筑 35 圖3 32星形四角錐網架 上弦桿比下弦桿短 受力合理 但在角部上弦桿可能受拉 該處支座可能出現拉力 這種網架剛度較正放四角錐網架差 適用于中 小跨度周邊支承的網架 圖3 33棋盤形四角錐網架 適用于狹長矩形平面的建筑 36 a 錐尖向下 b 錐尖向上 圖3 35六角錐體網架 此種網架的桿件多 節(jié)點構造復雜 屋面板為三角形或六角形 施工較困難 現已很少采用 37 a b c d 圖3 59圓柱面網殼 單層網殼 雙層網殼 38 圖3 61球面網殼的網格圖 a 肋環(huán)型 b 肋環(huán)斜桿型 c 三向網格 d 扇形三向網格 e 葵花形三向網格 f 短程線型 39 a b a b 圖3 62橢圓拋物面網殼的網格圖3 63雙曲拋物面網殼的網格 40 圖3 65單層懸索體系 圖3 66雙層懸索體系 單層單向平行布置 單層輻射狀布置 單層網狀布置 雙層單向平行布置 雙層輻射狀布置 41 圖3 67索網結構 42 一 國家體育場 平面為橢圓形 長軸340m短軸292m 屋蓋中間設185 3mX127 5m開口 整體承重結構由一系列門式剛架繞著內環(huán)旋轉而成 這種結構布置形成一種三維空間承重體系 可容納8萬人 奧運會期間可容納10萬人 43 二 國家游泳中心 國家游泳中心建筑體形簡單 為170mx170mx29m方盒子狀 屋蓋厚7m 墻厚5 4m 可容納1 7萬人 外墻及屋面的填充單元是由十二面體和十四面體組合而成的異型網格或稱WP多面體 Weaire phelan 然后再按一定角度斜切成水泡狀網格 既有上弦 也有下弦 中間為腹桿 網格內外均鋪設透明的ETFE充氣膜膜枕 賦以整個建筑以晶瑩剔透的外表 這種結構又稱之為 水立方 WaterCube 桿件仍用傳統(tǒng)的方鋼管 上下弦 及圓鋼管 腹桿 而節(jié)點大多數為我國采用最普遍的常規(guī)和異型焊接空心球節(jié)點 44 三 國家體育館 國家體育館在建筑空間上劃分為兩個大廳 即比賽大廳和訓練大廳 比賽大廳空間平面尺寸為114mX144 5m 柱頂高度約35m 43m 30m 訓練大廳空間平面尺寸為51mX63m 柱頂高度約30m 22 3m 屋蓋結構采用新型空間結構雙向張弦桁架體系 下部結構為框架抗震墻結構與型鋼混凝土框架 鋼支撐相結合的混合型結構體系 45 四 天津奧林匹克中心體育場 天津體育場的外觀造型以具有自然形態(tài)的露珠為主題 屋頂結構采用鋼桁架懸挑結構 屋頂桁架選用V字型平行弦桁架懸挑結構 懸挑長度50m 支點間距14m 鋼結構屋架平面呈扁長橢圓 長軸約471米 短軸約370米 整個平面沿長軸對稱 屋面桁架落地 形似露珠 內圈和外圈鋪設玻璃面板 中間部分基本為金屬板 但在V型桁架之間交替鋪設玻璃和金屬板 46 五 北京老山奧運自行車館 屋蓋結構采用雙層球面網殼結構 網殼跨度133 06m 沿周邊外挑8 238m 矢高14 69m 總投影面積約17000m2 網殼通過24對人字型柱支承于沿周邊均勻分布的24根鋼筋混凝土柱柱頂 人字型柱柱頂設置鋼結構圈梁 利用網殼外挑部分設置圈梁桁架 鋼筋混凝土柱柱頂標高 7 15m 網殼最高點標高 35 49m 網殼采用四角錐網格 最大網格尺寸為4 96m 4 24m 厚度2 8m 47 六 2008年奧運會籃球館 五棵松 屋蓋結構平面120m 120m采用雙向正交正放桁架組成的網架 網格一般為12m 支于周邊20根混凝土柱上 并在四邊柱向共設八道交叉支撐 檐高37 3m 桿件截面為箱形和H型 鋼材為Q345C