大跨空间钢结构的分类及特点

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(1)主管壁因冲切或剪切而破坏; (2)主管壁因受拉屈服或受压局部失稳而破坏;
(3)与支管相连的 主管壁因形成塑性铰线 而失效;
(4)支管与主管间 连接焊缝的破坏;
(5)受压支管管壁 的局部屈曲;
(6)受拉支管侧主 管壁的局部屈曲;
(7)有间隙的K、N形节点中,主管在间隙处被剪 坏或丧失轴向承载力而破坏。
BACD撕裂线割取自由体,假定由于板内塑性区的
发展引起应力重分布,破坏时撕裂面各线段上的折
算 i应 力
均匀分布且平行于腹杆轴力*,当各撕裂
段上的折算应力均达到抗拉强度fu时板件破坏。根
据平衡条件并忽略M和V,则第i 段撕裂面的平均正
应力i
和平均i 剪应i 力sini 为i :
Ni lit
sin i
102:2002 。
概述
大跨与空间钢结构主要用于公共建筑,如大会 堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育 场、航空港等。
大跨度结构也用于工业建筑,如飞机制造厂的 总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。 这些建筑采用大跨结构是受装配机器(如船舶、飞 机)的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。
为保证节点板受压时的稳定,桁架杆件间间隙不 能太大,例如有竖腹杆的节点板(或自由边有加劲
的节点板)c 15t 235 / f y ,不能理解为c 值愈小愈
好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间 隙,不应小于20mm”,是由于间隙过小,焊接残余 应力影响过大。而对吊车桁架,为避免疲劳破坏又 规定此间隙“不宜小于50mm”;同时还规定在工作 温度-20C地区的桁架,为防冷脆,“腹杆与弦杆相 邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t ”。同样,这些规定 不能理解为杆件间间隙愈大愈好,在某些情况如出 现矛盾,应妥善处理。
l f / t 60 235 / f y 时(一般出现在无竖腹杆的
节点板),*节点板稳定性很差,此时应沿自由边加
劲。加劲后,稳定承载力有较大提高。
② 在斜腹杆压力作用下,失稳形式一般为在 AB—BC—CD 线附近或前方呈三折线屈折破坏。屈 折线的位置和方向与受拉时的撕裂线类似,而且一 般在 BC 区的前方首先失稳,其它各区相继失稳。*
焊缝的长度实际上是支管与主管相交线长度, 主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀,焊缝 的计算长度取为相交线长度,该相交线是一条空间 曲线。规范取为:
当di/d≤0.65时: lw=(3.25di-0.025d)(+0.466)
当di/d>0.65时: lw=(3.81di-0.389d)(+0.466)
随着热轧H型钢在我国投产,剖分T型钢用于桁 架弦杆或腹杆的情况越来越多。T 型钢桁架的优点 是:无离缝、防腐易处理、用钢量省。
问题: (1)节点施工不方便; (2)节点构造方式不同,节点内的应力状态更加 复杂,同时,对节点受力研究不够,故规范公式均 不适用; (3)板件的局部稳定难以满足88规范的规定。
*
③ 节点板的抗压性能取决于c/t 的大小(c为 受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦
杆的净距),在一般情况下,c/t 愈大稳定承载力
愈低,对有竖腹杆的节点板,当 c / t 15 235 / f y
时,可不验算节点板的稳定。
④对无竖腹杆的节点板,当 c / t 10 235 / f y 时,
重点是支撑系统的布置,对保证整个结构体系 的整体刚度是非常重要的。
大跨度梁式结构的外形及腹杆体系,决定于跨 度、屋面型式及吊天棚结构的形式,常用的有梯形 和拱形桁架。按重量最优确定的桁架的高跨比一般 为1/6~1/8。
常用形式: (1)角钢(或T型钢)桁架 (2) H型钢重型桁架* (3)钢管桁架(圆钢管或矩形管)*
88规范后的90年代,重庆钢铁设计研究院会同云 南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点板 的试验,其中受拉试件16个,受压试件8个。
a.受拉节点 试件的破坏特征均为沿最危险的 BA AC CD
线段撕裂破坏,即图b中的三折线撕裂,CD 和 BA 均与节点板边缘线基本垂直。*
σ
《钢结构设计规范》建议用撕裂面法,沿
i
i
cosi
Ni lit
cosi
折算应力为
red
2 i
3
2 i
Ni lit
sin 2 i
3cos2 i
Ni lit
1 2 cos2 i fu

Ni
1
1 2 cos2 i
litfu
令第i 段的拉剪折算系数
则 Ni ilitfu
i
1
1 2 cos2 i
由 N Ni (i lit) fu (i Ai ) fu
竖腹杆节点板,要求与有竖腹杆的相同。
桁架节点板厚度选用表
一般的钢结构教科书和手册均列有“桁架节点板 厚度选用表”,但都系互相参考,缺乏科学依据。这 次该研究组先制作了N- t/b关系表(N为腹杆最大拉力 ;t为节点板厚度;b为连接肢宽度),反映了侧焊缝 焊脚尺寸hf1、hf2的影响。同时又在上述参数组合的 最不利情况下,重新整理出偏于安全的N—t表。相对 来说它比以往的N—t表更符合实际。
有效宽度法假定腹杆轴力N通过连接件在节点板
内按照应力扩散角度传至连接件端部与N 相垂直的 一定宽度范围内,称为有效宽度be 。
假定be范围内的节点板应力达
到 fu , 并 令 be·t·fu=Nu( 节 点 板 破 坏 时的腹杆轴力),按此法拟合的结 果,当应力扩散角=270时精度最 高,计算值与试验值的比值平均 为 98.9% ; 当 =300 时 , 比 值 为 106.8%,考虑到国外多数国家对 应力扩散角均取为300,为与国际 接轨且误差较小,建议取=300。
以上几种失效模式,有时会同时发生。规范针对 不同破坏模式给出了节点承载力的计算公式及构造 要求,这些公式只有少数是理论推出的,大部分是 经验公式。
例如: (1)当由支管与主管间连接焊缝的破坏控制时,
可视支管与主管的连接焊缝为全周角焊缝按正面角
焊缝公式进行计算,但取f=1。角焊缝的计算厚度
沿支管周长是变化的,当支管轴心受力时,平均计 算厚度可取0.7hf。
b(或 h) 40 235
t
t
fy
(3)管结构采用的管材不应采用屈服强度fy超过
345N/mm2以及屈强比fy/fu>0.8的钢材,且钢管壁厚
不宜大于25mm。因为目前国内外对钢管节点的试
验研究工作仅限于此范围。
管结构节点的失效模式
钢管结构构件的管壁一般很薄,而管径较大, 在节点处直接焊接的钢管节点实际上是由几个圆筒壳 交汇在一起的一个空间薄壳结构。理论上采用有限元 方法或弹性薄壳理论进行分析是可行的,全过程分析 需考虑局部材料进入塑性造成的材料非线形和节点处 主管局部变形造成的几何非线形。但目前主要依赖试 验。圆形和矩形的管节点有7种破坏模式:
桁架设计的难点在节点和支座,跨度大于35~ 40m时,梁式结构的支座之一必须作成可移动的, 以减小对支承墙体或支柱传递的横向反力,横向反 力一般由屋架下弦的弹性变形产生。*
上海证卷大厦
连接两幢主楼 的天桥桁架跨度 63m,共支承着从 17层至26层共8个 楼层,采用了H型 钢重型桁架。
上海浦东国际机场
展览馆
日本大分体育公园综合竞技场
伦敦千年穹顶
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准,国家 标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工 规程》将60m以上定义为大跨度结构,计算和构造 均有特殊规定。我国目前最大跨度做到153m,以 钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。
大跨度结构主要是在自重荷载下工作,主要矛 盾是减轻结构自重,故最适宜采用钢结构。在大跨 度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材 料,如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
大跨与空间 钢结构
崔佳
重庆大学土木工程学院
参考书目: 1.《空间网架结构》,贵州人民出版社; 2.《钢结构设计规范》GB50017-2003; 3.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91; 4.《大跨度房屋钢结构》,中国建筑工业出版社; 5.《网壳结构设计》,中国建筑工业出版社; 6.《空间结构设计与施工》,东南大学出版社; 7. 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS
式中 d、di─分别为主管和支管外径;
i─支管轴线与主管轴线的夹角。
(2)当由主管壁塑性铰线的失效模式控制时,对X
形节点,受压支管在管节点处的承载力设计值按下
式计算:
N pj cX
节点板的稳定承载力约为强度承载力的80%,故可
将受压腹杆的内力乘以增大系数1.25后再按受拉节点
板的强度计算进行计算,当 c / t 10 235 / f y 时应按 规范附录F进行稳定计算。但当 c / t 17.5 235 / f y
时,规范规定的计算值将大于试验值,不安全,故
规定 c/t 不能超过 17.5 235 / f y 。对自由边加劲的无
上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m, 跨中高度超过11m,单榀屋架梁重55吨。
为了增加屋架结构的刚度,同时为保证屋架梁 在风吸力作用下始终处于受拉状态,下弦布置了 一根预应力钢索,对下弦施加足够的预应力。
(1)角钢(或T型钢)桁架
一般用节点板连接,过去采用的方法是按桁架 弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚,当受力较复 杂时不可靠。国外有些规范(如美国AISC规范)规 定需进行计算。
写成计算式则为
N f
i Ai
(b)
i——第i段撕裂面与拉力作用线的夹角。
公式(b)符合破坏机理,其计算结果与试验值之 比平均为87.5%,略偏安全且离散性小。
公式还适用于下图两种板件的撕裂面的计算。
由于桁架节点板的外形往往不规则,同时,一些 受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳,用撕 裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外 多数国家的经验,规范建议对桁架节点板也可采用 有效宽度法进行承载力计算。
桁架节点铰接是一种近似,条件是杆件较细长, 以H型钢作弦杆或腹杆的重型桁架,设计时应注意 节点的次应力,或按刚接节点设计,对重要的节点 还应进行有限元分析。
(3)钢管桁架(圆管或矩形管)
钢管桁架节点受力复杂,原88规范只有直接焊 接的平面桁架式圆管结构的条文。近几年同济大学 对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和分析;哈建 大对直接焊接的方管桁架结构(主管为方管,支管 为方管或圆管)的节点作了一些试验和分析,《钢 结构设计规范》修订时,其成果已部分纳入。
有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、 围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况,(采用铆钉 或螺栓连接时,be应取为有效净宽度)。
பைடு நூலகம்
b.受压节点 在压力作用下,与受压杆件相连的节点板区域
除强度破坏外,还有可能丧失稳定。试验共作了8个 受压斜腹杆的试件,其中有、无竖腹杆的试件各4个。 试验结果有以下特点:
① 当节点板的自由边长度 lf 与厚度 t 之比
a) T、Y型节点;b) X型节点; c) K、N型节点,有间隙;d) K、N型节点,搭接。
管结构的适用范围:
(1)不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的
直接焊接钢管节点,其疲劳问题远较其它型钢杆件
节点受力情况复杂。
(2)为防止钢管发生局部屈曲,限制钢管的径厚
比或宽厚比
d 100 235 ;
t
fy
轴心受压构件和弯矩使自由边受拉的压弯构件, 对热轧剖分T型钢的局部稳定:
原88规范规定的宽厚比限值:
(10 0.1) 235 / f y
新规范规定的宽厚比限值:
(15 0.2) 235 / f y
计算模型为考虑翼缘与腹板完全嵌固,取屈曲 系数为1.28,不近合理,需试验验证。
(2)H型钢重型桁架
主要分为两大类:
平面结构体系
梁式体系 框架式体系 拱式体系
空间结构体系
网架及网壳结构 悬索结构 膜结构
平面承重的大跨度钢结构
1 梁式结构体系
梁式结构体系一般采用简支桁架的形式,桁架 的优点是制作与安装都比较简单,其上、下弦及腹 杆仅承受拉力或压力,对支座也没有横推力。
适用跨度:4060m,更大的跨度由于耗钢量 过大而不经济。
直接焊接的平面圆钢管节点 a) X型节点;b) T型或Y型节点; c)K型节点
直接焊接的空间圆钢管节点 e ) TT型节点;f ) KK型节点
XX型管节点: XX型管节点的数据量较少,计算结果与试验 结果吻合情况也不甚理想,而这种节点类型目前 在实际应用中较少用到,故在规范内未予列入。
直接焊接的矩形管(含方管)平面管节点
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