大跨建筑結(jié)構(gòu)(大跨平面結(jié)構(gòu))13.2

大跨度結(jié)構(gòu)參考書目：1.《大跨空間結(jié)構(gòu)》張毅剛等編機械工業(yè)出版社；2.《大跨空間結(jié)構(gòu)》完海鷹編中國建筑工業(yè)出版社；3.《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》JGJ7-91；4.《空間結(jié)構(gòu)設計與施工》東南大學出版社；概述

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)主要用于公共建筑，如大會堂、影劇院、展覽館、音樂廳、體育館、加蓋體育場、航空港等。大跨度結(jié)構(gòu)也用于工業(yè)建筑，如飛機制造廠的總裝配車間、飛機庫、造船廠的船體結(jié)構(gòu)車間等等。這些建筑采用大跨結(jié)構(gòu)是受裝配機器（如船舶、飛機）的大型尺寸或工藝過程要求所決定的。展覽館日本大分體育公園綜合競技場倫敦千年穹頂大跨度結(jié)構(gòu)的跨度沒有統(tǒng)一的衡量標準，國家標準《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》、《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》將60m以上定義為大跨度結(jié)構(gòu)，計算和構(gòu)造均有特殊規(guī)定。我國目前最大跨度做到340m，以鋼索和膜材做成的索膜結(jié)構(gòu)最大已做到320m。大跨度結(jié)構(gòu)主要是在自重荷載下工作，主要矛盾是減輕結(jié)構(gòu)自重，故最適宜采用鋼結(jié)構(gòu)。在大跨度屋蓋中應盡可能使用輕質(zhì)屋面結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)屋面材料，如彩色涂層壓型鋼板、壓型鋁合金板等。主要分為兩大類：平面結(jié)構(gòu)體系梁式體系框架式體系拱式體系空間結(jié)構(gòu)體系實體結(jié)構(gòu)類：薄殼、折板結(jié)構(gòu)張力結(jié)構(gòu)類：懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)類網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類：網(wǎng)架及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平面承重的大跨度鋼結(jié)構(gòu)1梁式結(jié)構(gòu)體系梁式結(jié)構(gòu)體系一般采用簡支桁架的形式，桁架的優(yōu)點是制作與安裝都比較簡單，其上、下弦及腹桿僅承受拉力或壓力，對支座也沒有橫推力。適用跨度：4060m，更大的跨度由于耗鋼量過大而不經(jīng)濟。重點是支撐系統(tǒng)的布置，對保證整個結(jié)構(gòu)體系的整體剛度是非常重要的。

大跨度梁式結(jié)構(gòu)的外形及腹桿體系，決定于跨度、屋面型式及吊天棚結(jié)構(gòu)的形式，常用的有梯形和拱形桁架。按重量最優(yōu)確定的桁架的高跨比一般為1/6～1/8。

常用形式：（1）角鋼（或T型鋼）桁架（2）H型鋼重型桁架*（3）鋼管桁架（圓鋼管或矩形管）*

桁架設計的難點在節(jié)點和支座，跨度大于35～40m時，梁式結(jié)構(gòu)的支座之一必須作成可移動的，以減小對支承墻體或支柱傳遞的橫向反力，橫向反力一般由屋架下弦的彈性變形產(chǎn)生。*

上海證券大廈

連接兩幢主樓的天橋桁架跨度63m，共支承著從17層至26層共8個樓層，采用了H型鋼重型桁架。上海浦東國際機場上海浦東國際機場候機樓屋架梁跨度83m，跨中高度超過11m，單榀屋架梁重55噸。為了增加屋架結(jié)構(gòu)的剛度，同時為保證屋架梁在風吸力作用下始終處于受拉狀態(tài)，下弦布置了一根預應力鋼索，對下弦施加足夠的預應力。2框架結(jié)構(gòu)體系

與梁式結(jié)構(gòu)體系相比，框架式體系比較經(jīng)濟，且橫梁高度可以取得比梁式結(jié)構(gòu)的高度小，剛度也較大，常用于工業(yè)建筑?？蚣苤_可以作成鉸接，也可以作成剛接。無鉸框架剛度更好，用鋼量省、便于安裝，但這種框架對溫度作用比較敏感，對基礎及地基的要求較高。主要有實腹式和格構(gòu)式兩大類。

（1）實腹式框架結(jié)構(gòu)體系

實腹式框架適用于跨度不太大（L=18～60m）的框架結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點是制作簡單、便于運輸，還能降低房屋高度。實腹框架常設計成鉸接柱腳。由于框架支座彎矩的卸載作用使實腹框架的橫梁高度不大，可取跨度的1/30～1/40。在我國得到大力發(fā)展的輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，是實腹式框架結(jié)構(gòu)體系的一種，其特點是屋蓋及墻體均采用壓型鋼板，結(jié)構(gòu)主要承受自身的重量。

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設計

門式剛架是一種有效利用材料的結(jié)構(gòu)形式。由于構(gòu)件尺寸小，房屋高度相應降低，減輕了建筑體積和重量。構(gòu)件可以在工廠批量生產(chǎn)，工地安裝用高強螺栓連接，簡便而迅速，施工期短。同時，門武剛架造型簡潔美觀，在房屋建筑中可適用于覆蓋大面積的單跨、多跨等廠房、倉庫和各類公共建筑。1建筑特點（1）輕型化，屋蓋及墻體均為壓型鋼板，以減輕建筑自重；（2）吊車噸位：

A1~A5工作級別的橋式吊車

20t；懸掛式起重機

3t。（3）常用跨度：1830m，高度4.5~9m。規(guī)程規(guī)定跨度可作到36m。2結(jié)構(gòu)特點（1）主體結(jié)構(gòu)采用門式剛架，剛架可以是單跨、雙跨或多跨，還可帶附跨。把中柱做成搖擺柱體現(xiàn)了材料集中使用的原則。（2）采用變化構(gòu)件截面的手段以適應彎矩變化是門式剛架輕型化的技術措施之一。柱腳常用鉸接，（當有橋式吊車時用等截面、柱腳固定）。（3）剛架間距一般6m左右，亦可采用7.5~9m，間距太大將增加檁條的用鋼量。

溫度區(qū)段長度：縱向300m；橫向150m。

當不超過以上數(shù)值時，一般情況下可不考慮溫度應力和溫度變形的影響。柱間支撐的縱向水平剛度較單獨柱大得多（約10～20倍），故廠房縱向溫度變形的不動點接近于柱間支撐的中點（有兩道柱間支撐時，為兩支撐距離的中點）。新規(guī)范增加：“當有計算依據(jù)時，溫度區(qū)段長度可適當加大”，是考慮到影響溫度區(qū)段長度限值的因素較多，在規(guī)范中無法逐一反映，讓設計人員根據(jù)具體情況考慮增減。當溫度區(qū)段長度超過規(guī)范規(guī)定的數(shù)值時，應進行溫度應力的計算或設置溫度伸縮縫。溫度伸縮縫的兩種做法：

a.在搭接檁條的螺栓連接處采用長圓孔；

b.設置雙柱。此外，吊車梁與柱的連接宜采用長圓孔。（4）剛架斜梁的坡度取決于屋面排水坡度，一般i=1/8~1/20。減小構(gòu)件腹板厚度，一般腹板壁厚在4~10mm，（4mm是規(guī)程規(guī)定的下限），主要利用腹板截面的屈曲后強度。

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》CECS102：2002推薦采用Q235、Q345鋼材。

（5）檁條采用冷彎薄壁型鋼，截面一般為C型鋼或Z型鋼（坡度較大時，可以做到主軸與地面平行）。檁條壁厚一般1.5~3.0mm，1.5mm為規(guī)范規(guī)定的下限。新修定的國家標準《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)范》GB50018-2002已取消了壁厚6mm上限的規(guī)定，板厚由設計者自行掌握（未試驗），我國目前已能生產(chǎn)12.5mm厚的冷彎薄壁型鋼。（6）支撐體系：必須設屋蓋支撐系統(tǒng)和柱間支撐系統(tǒng)。屋蓋支撐布置在溫度區(qū)段的兩端或端部第二開間（此時第一開間設剛性系桿）。柱間支撐設在與屋蓋支撐相同的柱間，無吊車時，間距一般30~45m，不大于60m。有吊車時柱間支撐宜設在溫度區(qū)段中部。

支撐一般為十字交叉，截面采用張緊的圓鋼或小角鋼。梁與柱的剛性連接節(jié)點當節(jié)點域計算不滿足要求時，應加厚腹板或設置斜加勁肋。（7）門式剛架的柱腳構(gòu)造（2）格構(gòu)式框架結(jié)構(gòu)體系

當跨度大于60m時，實腹式框架不太經(jīng)濟，此時可采用格構(gòu)式，最大可做到150m。通常設計成變截面，框架橫梁的高跨比在1/12～1/20范圍內(nèi)選取。

內(nèi)力及變形的計算

當跨度不大時，格構(gòu)式普通框架可以取換算剛度，折算成與其等效的實腹框架求解內(nèi)力。當跨度較大時，必須考慮全部腹桿的變形進行計算。

框架橫梁的撓度只需計算由可變荷載引起的，永久荷載產(chǎn)生的撓度可由結(jié)構(gòu)的起拱來消除。當跨度大于50m且剛性柱（支座）不高時，須計入框架的溫度應力。實腹框架的橫梁與柱一般設計成焊接工字型截面，其承載能力按壓彎構(gòu)件計算。兩鉸框架中的框架柱可以作成沿高度變截面的形式，這樣能充分利用截面強度，減輕結(jié)構(gòu)自重。構(gòu)造特點

a.框架負彎矩處下翼緣為防止平面外失穩(wěn)，應加設斜撐。*b.在雙鉸框架結(jié)構(gòu)中，為減小橫梁中部的彎矩，可采用圖中使橫梁卸載的做法。

c.截面受力較小時可采用雙角鋼組合T形截面、T型鋼截面；受力較大時可采用槽鋼或工字鋼截面。

d.因格構(gòu)式框架受力較大，框架橫梁與柱轉(zhuǎn)角處比較合理的構(gòu)造是在轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做成實腹式并加加勁桿。

（3）拱式結(jié)構(gòu)體系

拱式結(jié)構(gòu)外形美觀，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力與建筑造型的完美結(jié)合，是大跨度鋼結(jié)構(gòu)中一種重要的形式。拱的特點（1）拱身主要承受軸力，當跨度較大（如超過80~100m）時，較梁式結(jié)構(gòu)和框架式結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟。（2）形式有兩鉸拱、三鉸拱和無鉸拱。使用最多的是雙鉸拱，優(yōu)點是安裝和制造較簡單，鉸處可自由轉(zhuǎn)動，溫度應力也較低。無鉸拱跨中彎矩分布最有利，但需要較強的基礎，溫度應力也較大。雙鉸拱三鉸拱無鉸拱

（3）拱的水平推力較大，對支座的要求較高。為減輕水平推力，可設置水平拉桿或采用橡膠支座。在加蓋的體育場、展覽館以及飛機庫里，拱的支座常常是房屋的墻體、看臺等。沒有橫墻或看臺的情況下則要求設置拱扶壁以承受拱的水平推力。（4）拱截面分實腹式和桁架式兩種，一般為等截面。拱身所受彎矩較小，因而截面高度不大，實腹式可取l/50~l/80，桁架式可取l/30~l/60。拱截面可采用H型鋼、雙角鋼、T型鋼、槽鋼、圓鋼管和方鋼管等。拱的設計（1）拱軸線的形狀應盡可能選擇與壓力曲線接近。對稱并沿拱弦線均布的荷載起主要作用時，宜采用二次拋物線（與彎矩圖接近）。為簡化拱的設計與制造，也可用圓弧代替，對扁平拱不會引起內(nèi)力實質(zhì)性的變化。對于自重很大的高拱，宜采用懸鏈線外形。在風荷載作用下，由于壓力線變化較大，拱的外形宜取兩極限壓力線的中間線。

（2）風荷載是拱結(jié)構(gòu)計算中一項非常重要的荷載，特別應注意風吸力對拱結(jié)構(gòu)的影響，還應考慮側(cè)風壓或端風壓作用在建筑物上的情況。

（3）平面的拱式結(jié)構(gòu)為一受壓曲桿，應按壓彎桿件設計，拱在彎矩作用平面內(nèi)需要驗算強度和穩(wěn)定性。因曲桿平衡微分方程的求解比較困難，目前只能按彈性方法近似求解桿件的臨界力，現(xiàn)行規(guī)范暫時還沒有曲桿計算長度取值的規(guī)定。拱的計算長度系數(shù)與拱的形狀、拱的矢高f與拱跨l的比值有關（4）拱在彎矩作用平面外的剛度如果與平面內(nèi)相差很大，受壓時容易產(chǎn)生平面外的失穩(wěn)，應利用沿房屋長度方向設置的橫向支撐系統(tǒng)及檁條體系作為平面外的支撐點。同時，還應按壓彎桿件驗算平面外的穩(wěn)定。

（5）拱的支座鉸可以有不同的形式。拱腳的構(gòu)造

（6）三鉸拱中的拱頂鉸是構(gòu)造設計的難點，格構(gòu)式拱在支座鉸和拱頂鉸的部位，其截面需改變?yōu)閷嵏故?，同時還需設置適當?shù)募觿爬?，以傳遞較大的集中反力。重慶市武警總隊訓練場（跨度61.4m）重慶出口加工區(qū)卡口

壓型鋼板波紋拱屋蓋也是拱式結(jié)構(gòu)的一種，最大跨度可做到60m，造價極低，且施工速度快。缺點是隔熱保溫效果差，在不對稱荷載和集中荷載作用下宜喪失整體穩(wěn)定。達州市體育場效果圖

達州市體育場看臺挑棚采用了在節(jié)