大跨空间钢结构概要
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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
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）*
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 应i 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
i
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。
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。
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。
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。
展Hale Waihona Puke Baidu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。
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
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
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。*
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）。
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
i
cos i
Ni lit
cosi
折算应力为
red
2 i
3
2 i
Ni lit
sin 2 i
3cos2 i
Ni lit
1 2cos2 i fu
即
1
Ni 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
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。
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
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）*
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 应i 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
i
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。
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。
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。
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。
展Hale Waihona Puke Baidu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。
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
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
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。*
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）。
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
i
cos i
Ni lit
cosi
折算应力为
red
2 i
3
2 i
Ni lit
sin 2 i
3cos2 i
Ni lit
1 2cos2 i fu
即
1
Ni 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
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。