大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的形式與計(jì)算要點(diǎn)

鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)普通高高等學(xué)學(xué)校土土建學(xué)學(xué)科專專業(yè)““十一一五””規(guī)劃劃教材材下冊房房屋屋鋼結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)陳紹蕃蕃主主編編中國建建筑工工業(yè)出出版社社第3章大大跨屋屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)第3章大大跨屋屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)大跨屋屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)體體系網(wǎng)架的的形式式網(wǎng)架計(jì)計(jì)算要要點(diǎn)網(wǎng)架的的設(shè)計(jì)計(jì)主要內(nèi)內(nèi)容：：重點(diǎn)：：網(wǎng)架的的形式式網(wǎng)架的的設(shè)計(jì)計(jì)（桿桿件和和節(jié)點(diǎn)點(diǎn)）第3章大大跨屋屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)形形式平面結(jié)結(jié)構(gòu)體體系梁式結(jié)結(jié)構(gòu)（（平面面桁架架、空空間桁桁架）），平平面剛剛架和和拱式式結(jié)構(gòu)構(gòu)空間結(jié)結(jié)構(gòu)體體系平板網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)，，網(wǎng)殼殼結(jié)構(gòu)構(gòu)，懸懸索結(jié)結(jié)構(gòu)，，斜拉拉結(jié)構(gòu)構(gòu)，張張拉整整體結(jié)結(jié)構(gòu)等等剛架結(jié)構(gòu)構(gòu)第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)3.2網(wǎng)架的形形式按弦桿層層數(shù)不同同可分為為雙層網(wǎng)網(wǎng)架和三三層網(wǎng)架架

(a)(b)

上弦

腹桿

下弦

下弦中弦

上腹桿

下腹桿

上弦第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)幾何不不變的必必要條件件：W=3J-m-r≤0幾何可變變體系的的判斷斷：[K]中對角線線上出現(xiàn)現(xiàn)零元素素|K|=03.2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)的幾何何不變性性分析第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)平面桁架架系網(wǎng)架架兩向正交交正放網(wǎng)網(wǎng)架兩向正交交斜放網(wǎng)網(wǎng)架三向網(wǎng)架架3.2.2雙層網(wǎng)架架常用的的形式特點(diǎn)：由平面桁桁架相互互交叉所所組成，，其上、、下弦桿桿長度相相等，桿桿件類型型少，且且上、下下弦桿和和腹桿在在同一平平面內(nèi)。。一般應(yīng)應(yīng)使斜腹腹桿受拉拉，豎桿桿受壓。。斜腹桿桿與弦桿桿間的夾夾角宜在在40°～60°之間第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)兩向正交交正放網(wǎng)網(wǎng)架兩向正交交正方由兩組分分別與邊邊界平行行的平面面桁架互互成90°交叉組成成。同一一方向的的各平面面桁架長長度一致致第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)兩向正交交斜放網(wǎng)網(wǎng)架兩向正交交斜放短桁架對對長桁架架有嵌固固作用，，受力有有利。角角部產(chǎn)生生拔力，，常取無無角部形形式。比比正交正正放網(wǎng)架架空間剛剛度大，，受力均均勻，用用鋼省。。適用于于建筑平平面為矩矩形的情情況。第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)兩向正交交斜放網(wǎng)網(wǎng)架兩向正交交斜放幾何不變變體系，，網(wǎng)架空空間剛度度大，受受力性能能好，內(nèi)內(nèi)力分布布也較均均勻。桿桿件數(shù)量量多，節(jié)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造造比較復(fù)復(fù)雜。三三向網(wǎng)架架適用于于大跨度度且建筑筑平面為為三角形形、六邊邊形、多多邊形和和圓形的的情況。。第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)四角錐體體系網(wǎng)架架正放四角角錐網(wǎng)架架正放抽空空四角錐錐網(wǎng)架棋盤形四四角錐網(wǎng)網(wǎng)架斜放四角角錐網(wǎng)架架星形四角角錐網(wǎng)架架第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)正放四角角錐網(wǎng)架架正放四角角錐網(wǎng)架架桿件受力力較均勻勻，空間間剛度比比其它類類型的四四角錐網(wǎng)網(wǎng)架及兩兩向網(wǎng)架架好。適適用于建建筑平面面接近正正方形的的周邊支支承及點(diǎn)點(diǎn)支承情情況。第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)正放抽空空四角錐錐網(wǎng)架兩向正交交斜放周邊網(wǎng)格格錐體不不動(dòng)外，，跳格地地抽掉一一些四角角錐單元元中的腹腹桿和下下弦桿，，使下弦弦網(wǎng)格尺尺寸擴(kuò)大大一倍。。適用于于中、小小跨度或或屋面荷荷載較輕輕的周邊邊支承、、點(diǎn)支承承以及周周邊支承承與點(diǎn)支支承結(jié)合合的網(wǎng)架架。第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)棋盤形四四角錐網(wǎng)網(wǎng)架棋盤形四四角錐網(wǎng)網(wǎng)架正放四角角錐網(wǎng)架架周邊四四角錐不不變，中中間四角角錐間隔隔抽空，，下弦桿桿呈正交交斜放，，上弦桿桿呈正交交正放。?？朔肆诵狈潘乃慕清F網(wǎng)網(wǎng)架屋面面板類型型多，屋屋面組織織排水較較困難的的缺點(diǎn)。。適用于于中、小小跨度周周邊支承承方形或或接近方方形平面面的網(wǎng)架架。第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)斜放四角角錐網(wǎng)架架斜放四角角錐網(wǎng)架架受力合理理，桿件件數(shù)量少少，屋面面板類型型多，屋屋面組織織排水較較困難。。適用于于中、小小跨度周周邊支承承，或周周邊支承承與點(diǎn)支支承相結(jié)結(jié)合的矩矩形平面面情況。。第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)星形四角角錐網(wǎng)架架星形四角角錐網(wǎng)架架將四角錐錐底面的的四桿換換為十字字交叉桿桿,并加中豎豎桿形成成。適用用于中、、小跨度度周邊支支承方形形或接近近方形平平面的網(wǎng)網(wǎng)架。第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)三角錐體體系網(wǎng)架架三角錐網(wǎng)網(wǎng)架抽空三角角錐網(wǎng)架架蜂窩形三三角錐網(wǎng)網(wǎng)架第3章大跨跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)三角錐網(wǎng)網(wǎng)架三角錐網(wǎng)網(wǎng)架上、下弦弦平面均均為三角角形網(wǎng)格格。桿件件受力均均勻，本本身為幾幾何不變變體，整整體抗扭扭、抗彎彎剛度好好。適用用于大中中跨度及及重屋蓋蓋建筑物物，當(dāng)建建筑平面面為三角角形、六六邊形和和圓形時(shí)時(shí)最為適適宜。第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)抽空三角錐網(wǎng)網(wǎng)架抽空三角錐網(wǎng)網(wǎng)架抽去部分三角角錐單元的腹腹桿和下弦桿桿。下弦桿內(nèi)內(nèi)力較大，用用鋼量省，但但空間剛度較較三角錐網(wǎng)架架小。適用于于中、小跨度度的三角形、、六邊形和圓圓形等平面的的建筑。第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)蜂窩形三角錐錐網(wǎng)架蜂窩形三角錐錐網(wǎng)架上弦為正三角角形和正六邊邊形網(wǎng)格，下下弦為正六邊邊形網(wǎng)格。本本身幾何可變變。其上弦桿桿短，下弦桿桿長，受力合合理。適用于于中、小跨度度周邊支承的的情況，可用用于六邊形、、圓形或矩形形平面。第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)大跨度為60m以上中跨度為30～60m小跨度為30m以下3.2.3網(wǎng)架選型根據(jù)建筑平面面形狀和跨度度大小，支承承方式、荷載載大小、屋面面構(gòu)造和材料料、制作安裝裝方法等因素素。《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)與施工規(guī)程程》JGJ7-91第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支支承周邊支承點(diǎn)支承周邊支承與點(diǎn)點(diǎn)支承相結(jié)合合兩邊和三邊支支承等第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支支承周邊支承第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支支承點(diǎn)支承第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支支承周邊支承和點(diǎn)點(diǎn)支承結(jié)合第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架高度及網(wǎng)網(wǎng)格尺寸：網(wǎng)架的高度與與屋面荷載、、跨度、平面面形狀、支承承條件及設(shè)備備管道等因素素有關(guān)。第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度要要求及屋面排排水坡度用小立柱起拱網(wǎng)架屋面找坡坡找坡立柱容許撓度：用用作屋蓋—L2/250，用作樓蓋—L2/300排水坡度：3%～5%起拱要求：L2/300第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)3.3網(wǎng)架的計(jì)算要要點(diǎn)滿足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)與施工規(guī)程程》JGJ7-91的規(guī)定對使用階段荷荷載作用下的的內(nèi)力和位移移進(jìn)行計(jì)算，，并應(yīng)根據(jù)具具體情況對地地震作用、溫溫度變化、支支座沉降等間間接作用及施施工安裝荷載載引起的內(nèi)力力和位移進(jìn)行行計(jì)算。永久荷載：①①網(wǎng)架自重；；②屋面（或或樓面）材料料重力；③吊吊頂材料的重重力；④設(shè)備備管道的重力力。3.3.1直接作用（荷荷載）和間接接作用第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)可變荷載：活活荷載、雪荷荷載、積灰荷荷載、風(fēng)荷載載及吊車荷載載抗震驗(yàn)算：豎向抗震驗(yàn)算算：設(shè)防烈度度為8度或9度的地區(qū)，周周邊支承及多多點(diǎn)支承和周周邊支承相結(jié)結(jié)合的網(wǎng)架屋屋蓋水平抗震驗(yàn)算算：在抗震設(shè)設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，對對于周邊支承承的中小跨度度網(wǎng)架可不進(jìn)進(jìn)行水平抗震震驗(yàn)算；在抗抗震設(shè)防烈度度為9度的地區(qū)，對對各種網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行行水平抗震驗(yàn)驗(yàn)算第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力：不不計(jì)算的條件件①支座節(jié)點(diǎn)的的構(gòu)造允許網(wǎng)網(wǎng)架側(cè)移，且且側(cè)移值不小小于下式的計(jì)計(jì)算值；②周邊支承的的網(wǎng)架，當(dāng)網(wǎng)網(wǎng)架驗(yàn)算方向向跨度小于40m，且支承結(jié)構(gòu)構(gòu)為獨(dú)立柱或或磚壁柱；③在單位力作作用下，柱頂頂位移大于或或等于下式的的計(jì)算值第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)荷載及荷載效效應(yīng)組合：：對非抗震設(shè)計(jì)計(jì)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載載規(guī)范》GB50009；對抗震設(shè)計(jì)，，《建筑抗震設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范》GB50011需要計(jì)算溫度度應(yīng)力時(shí)，采采用空間桁架架位移法，或或近似計(jì)算方方法：第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)空間桁架位移移法（空間桿桿系有限元法法）交叉梁系差分分法是一種簡簡化計(jì)算方法法擬夾層板法是是又一種簡化化計(jì)算方法假想彎矩法也也屬簡化計(jì)算算方法3.3.2網(wǎng)架內(nèi)力分析析方法按彈性階段計(jì)計(jì)算第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)3.4空間桿系有限限元法方法介紹：以網(wǎng)架的桿件件為基本單元元，以節(jié)點(diǎn)位位移為基本未未知量。先由由桿件內(nèi)力與與節(jié)點(diǎn)位移之之間的關(guān)系建建立單元?jiǎng)偠榷染仃嚕缓蠛蟾鶕?jù)各節(jié)點(diǎn)點(diǎn)平衡及變形形協(xié)調(diào)條件建建立結(jié)構(gòu)的節(jié)節(jié)點(diǎn)荷載和節(jié)節(jié)點(diǎn)位移間關(guān)關(guān)系，形成結(jié)結(jié)構(gòu)總剛度矩矩陣和總剛度度方程?？倓倓偠确匠淌且砸怨?jié)點(diǎn)位移為為未知量的線線性方程組。。引入邊界條條件后，求解解出各節(jié)點(diǎn)位位移值。最后后由桿件單元元內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位移間關(guān)系系求出桿件內(nèi)內(nèi)力。第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)為為空間鉸接節(jié)節(jié)點(diǎn)，桿件只只承受軸力；；結(jié)構(gòu)材料為完完全彈性，在在荷載作用下下網(wǎng)架變形很很小，符合小小變形理論。3.4.1基本假定第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠染仃囮嚳臻g桿系有限限單元：每個(gè)個(gè)桿6個(gè)自由度3.4.2空間桿系有限限元法要點(diǎn)對應(yīng)6個(gè)桿端力它們之間的關(guān)關(guān)系是第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)式中即單元?jiǎng)偠染鼐仃?。和結(jié)構(gòu)構(gòu)力學(xué)的矩陣陣位移法一致致，只是相應(yīng)應(yīng)于剪力的各各項(xiàng)均為零第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換桿單元在整體體坐標(biāo)系中的的位置第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣陣[T]為第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)總剛度矩矩陣及總剛度度方程結(jié)構(gòu)總剛矩陣陣中邊界條件件的處理方法法位移為零：劃劃行劃列法和和乘大數(shù)法。。.彈性約束：將將彈簧剛度K0疊加到總剛矩矩陣中對應(yīng)的的主對角元上上。指定位移：主主對角元和右右端項(xiàng)乘以大大數(shù)R第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的邊界條條件及對稱性性利用當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（（包括支座））和外荷載有有n個(gè)對稱面時(shí)，，可利用對稱稱條件只分析析網(wǎng)架的1/(2n)。對稱面內(nèi)各桿桿件的截面積積應(yīng)取原截面面面積的一半半，n個(gè)對稱面交線線上的中心豎豎桿，其截面面面積應(yīng)取原原截面面積的的1/(2n)。在對稱荷載載作用下，對對稱面內(nèi)網(wǎng)架架節(jié)點(diǎn)的反對對稱位移為零零；在反對稱稱荷載作用下下，對稱面內(nèi)內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的的對稱位移應(yīng)應(yīng)取為零。第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)斜邊界處處理根據(jù)邊界點(diǎn)的的位移情況設(shè)設(shè)置具有一定定截面積的附附加桿對斜邊界上的的節(jié)點(diǎn)位移做做坐標(biāo)變換桿件內(nèi)力展開為第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖，對對節(jié)點(diǎn)和桿件件進(jìn)行編號；；計(jì)算桿件單元元長度及桿件件與整體坐標(biāo)標(biāo)軸夾角余弦弦；初選各桿的截截面積；建立局部和整整體坐標(biāo)系下下的單元?jiǎng)偠榷染仃?；集合總剛矩陣陣，采用變帶帶寬一維存貯貯方式；建立荷載列陣陣；引入邊界條件件對總剛度方方程進(jìn)行處理理；求解總剛度方方程，得出各各節(jié)點(diǎn)位移值值；根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移移計(jì)算桿件內(nèi)內(nèi)力；按桿件內(nèi)力調(diào)調(diào)整桿件截面面，并重新計(jì)計(jì)算，迭代次次數(shù)宜不超過過4～5次。3.4.3空間桿系有限限元法計(jì)算步步驟第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)3.5網(wǎng)架桿件設(shè)計(jì)計(jì)截面鋼管、熱軋型型鋼和冷彎薄薄壁型鋼計(jì)算長度（l為桿件幾何長長度）桿件節(jié)點(diǎn)螺栓球焊接空心球板節(jié)點(diǎn)弦桿及支座腹桿l0.9ll其它腹桿l0.8l0.8l網(wǎng)架桿間計(jì)算算長度l0第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)容許長細(xì)比（1）受壓桿件：：[]=180（2）受拉桿件：：一般桿件---------------[]=400支座附近處桿桿件---------[]=300直接承受動(dòng)力力荷載桿件---[]=250第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)3.5節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式：焊接空心球節(jié)節(jié)點(diǎn)(P.121,圖3-30)螺栓球節(jié)點(diǎn)(P.123,圖3-34)焊接鋼板節(jié)點(diǎn)點(diǎn)(P.128,圖3-43)焊接鋼管節(jié)點(diǎn)點(diǎn)(P.120,圖3-28)桿件直接匯交交節(jié)點(diǎn)(P.120,圖3-29)第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)D＝（d1＋d2＋2a）/θ3.6.1焊接空心球節(jié)節(jié)點(diǎn)空心球節(jié)點(diǎn)桿桿件間縫隙第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)3.6.2螺栓球節(jié)點(diǎn)螺栓球連接節(jié)節(jié)點(diǎn)圖示第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)鋼球尺寸螺栓不碰要求求：套筒接觸面要要求：鋼球直徑取式式以上兩式的的較大值。第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)當(dāng)相鄰兩桿夾夾角θ＜30°時(shí)，還要保證證相鄰兩根桿桿件（管端為為封板）不相相碰要求：第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)螺栓尺寸第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)3.6.3焊接鋼板節(jié)點(diǎn)點(diǎn)焊接鋼板節(jié)點(diǎn)點(diǎn)第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)3.6.4支座節(jié)點(diǎn)角位移受到很很大的約束，，只適用于較較小跨度網(wǎng)架架平板壓力或拉拉力支座第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)角位移未受約約束，適用于于中小跨度網(wǎng)網(wǎng)架單面弧形壓力力支座第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)適用于較大跨跨度網(wǎng)架。在在承受拉力的的錨栓附近應(yīng)應(yīng)設(shè)加勁肋以以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛剛度單面弧形拉力力支座第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)支座和底板間間設(shè)有弧形塊塊，上下面都都是柱面，支支座既可轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)又可平移雙面弧形拉力力支座第3章大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)只能轉(zhuǎn)動(dòng)而不不能平移，適適用于多支點(diǎn)點(diǎn)支承的大跨跨度網(wǎng)架球鉸壓力支支座第3章大跨屋屋蓋結(jié)構(gòu)通過橡膠墊墊的壓縮和和剪切變形形，支座既既可轉(zhuǎn)動(dòng)又又可平移。。如果在一一個(gè)方向加加限制，支支座為單向向可側(cè)移式式，否則為為兩向可