大跨度钢结构

大跨度钢结构
Large-span Steel Structure
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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.wk.baidu.com2
《网架结构设计与技术规程》JGJ7-91中国
网架类别(以网架构成方式分类)
１． 交叉平面桁架体系（两组桁架交叉梁系、三组桁架交叉梁系）
２．交叉空间桁架体系（四角锥体、三角锥体、六角锥体）
网架表示法
两向正交正放
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3.2网架类别 续) 网架类别(续 网架类别
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
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2.3 拱式结构的特点和应用 续) 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
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2.3 拱式结构的特点和应用 续) 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)
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。
斜放四角锥网架
棋盘形四角锥网架
星形四角锥网架
三角锥网架
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3.2网架类别 续) 网架类别(续 网架类别
抽空三角锥网架
蜂窝形三角锥网架
♣ 空间作用(diaphragm，蒙皮效应)
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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
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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40m～60m左右的工业和民用建筑物中 结构布置
•个性化(非大量建设项目，方案的极其个性化)
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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
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
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3.1网架结构的特点和应用 网架结构的特点和应用
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 适应性好
应用
广泛应用于公共建筑及工业厂房中
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3.2平板网架的形式和种类 平板网架的形式和种类
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3.6 网架在地震，温度及安装荷载作用 网架在地震， 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。
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网架在地震， 网架在地震，温度及安装荷载作用下 的计算原则(续 的计算原则 续)
二：温度应力 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。
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3.4 网架主要尺寸的确定
网架几何尺寸
网架形式
钢筋混凝土屋面体系 网格数 跨高比
钢檩条屋面体系 网格数 跨高比
两向正交正放，正放四角锥 (2∼4)+0.2L2 正放抽空四角锥 10∼14 (6∼8)+0.07L2 (13∼17)+0.03L2 两向正交斜放，棋盘形四角锥 (6∼8)+0.08L2 斜放四角锥，星形四角锥
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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
•跨度为40∼60m时，拱间距可取6∼10m，无檩或型钢檩条
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2.3 拱式结构的特点和应用 续) 拱式结构的特点和应用(续
•跨度达100m左右时，宜采用相距3∼6m的拱对，拱对间距为9∼15m
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。 27
网架主要尺寸的确定(续 网架主要尺寸的确定 续)
网架起拱和屋面排水
网架起拱 一般情况下，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
•格构式框架的横梁高跨比宜在跨度的1/20∼1/12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40∼50m，高度约15∼20m)的建筑物 横梁高度和立柱宽度皆在跨度的1/25∼1/15范围选取
应用 主要应用于工业建筑物中
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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)
减轻基础负担；结构可外露；横梁高度可取跨度的1/20∼1/12 设置预应力拉杆减少跨中弯矩，横梁高度可取跨度的1/40∼1/30
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2.2 框架结构的特点和应用 续) 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
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2.2 框架结构的特点和应用 续) 框架结构的特点和应用(续
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3.2网架类别 续) 网架类别(续 网架类别
正放四角锥网架
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，正六角形平面 在某些平面形状会出现不规则杆件
正放抽空四角锥网架
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3.2网架类别 续) 网架类别(续 网架类别
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
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
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主要内容
概述 平面结构 网架结构 悬索结构
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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 框架结构 拱式结构 二：空间结构 网架和网壳结构 悬索结构
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网架的内力分析（ 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，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。
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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50∼60m时，常用双铰实腹式框架(常用工字形截面)
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3.3平板网架形式的选择（续） 平板网架形式的选择（ 平板网架形式的选择
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。
•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 •支承柱变高度
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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。
•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
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3.3平板网架形式的选择 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
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3.6 网架在地震，温度及安装荷载作用 网架在地震， 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 向 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 = ±ψvGi 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
檩条 6∼8m 屋架 檩条 主檩条 屋架 8∼12m
40∼50m 简单式
50∼70m 复杂式
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2.1 梁式结构的特点和应用 续) 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50∼70m及更大时，采用桁架形式
桁架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1/8∼1/6(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)
•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1/80∼1/50 格构式截面高度可取跨度的1/60∼1/30 •水平推力 拉杆设置 支座设计 框架结构
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2.3 拱式结构的特点和应用 续) 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
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第三章 网架结构