大跨度鋼結(jié)構(gòu)PPT課件

1 第3章大跨度房屋結(jié)構(gòu)3 1概述應用范圍1 大會堂2 劇院3 體育館4 市場5 航空港7 工廠 倉庫 造船廠結(jié)構(gòu)形式1 平面結(jié)構(gòu)體系 50 70m 梁式結(jié)構(gòu) 平面桁架和空間桁架 平面剛架和拱式結(jié)構(gòu)2 空間結(jié)構(gòu)體系 100 200m 網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 懸索結(jié)構(gòu)和張拉整體結(jié)構(gòu)以及混合結(jié)構(gòu) 2 3 2 1梁式大跨結(jié)構(gòu) 桁架 1 桁架的形式平面桁架 40 60m 空間桁架 100m 2 梁式體系屋蓋布置 簡單式 復雜式 P1063 2 2框架結(jié)構(gòu) 1 框架的形式 實腹式和格構(gòu)式 兩鉸及無鉸框架 2 框架式結(jié)構(gòu)的布置橫向框架布置 P108 縱向框架布置 P108 雙面框架布置 P108 3 2平面結(jié)構(gòu)體系 3 3 2 3拱結(jié)構(gòu) 1 拱的形式 2 拱式結(jié)構(gòu)的布置3 3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)3 3 1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點 適用范圍3 3 2網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式及選型 1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變性分析 2 網(wǎng)架的組成 網(wǎng)架是由上弦桿 下弦桿兩個表面及上下弦面之間的腹桿組成 一般稱為雙層網(wǎng)架 最為常用 3 網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式 交叉桁架體系網(wǎng)架 角錐體系網(wǎng)架 網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)選型 安全可靠 技術(shù)先進 經(jīng)濟合理 美觀適用 4 3 3 3網(wǎng)架的主要尺寸 1 網(wǎng)架的高度 網(wǎng)架的跨度 屋面荷載 平面形狀 支承條件及設備管道 主要取決于網(wǎng)架的跨度可按表3 1來確定 2 網(wǎng)格尺寸 上弦網(wǎng)格尺寸 按表3 1定3 3 4作用和荷載組合 1 永久荷載 網(wǎng)架自重 樓面或屋面自重 保溫層 防水層 吊頂 設備管道等材料的自重 雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自重可按下列經(jīng)驗公式估算 3 2 5 2 可變荷載網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上的可變荷載主要有屋面或樓面活荷載 雪荷載 積灰荷載 風荷載以及吊車荷載 其中在荷載組合時 雪荷載與屋面活荷載不必同時考慮 取兩者的較大值 屋面或樓面活荷載的取值 可根據(jù)實際使用情況查現(xiàn)行荷載規(guī)范確定 在荷載組合時 雪荷載與屋面活荷載不必同時考慮 取兩者的較大值 積灰荷載的取值 應考慮廠房性質(zhì) 由生產(chǎn)工藝提出 或按荷載規(guī)范規(guī)定參考采用 風荷載應根據(jù)實際情況考慮風荷載的影響 例如 對于周邊支承 且支座節(jié)點在上弦的網(wǎng)架的風荷載由四周墻承受 計算時可不考慮風荷載 吊車荷載標準值按現(xiàn)行荷載規(guī)范有關(guān)規(guī)定確定 6 3 溫度作用溫度作用是指由于溫度變化 會引起桿件的伸長或縮短 如果這種溫度變形受到約束 網(wǎng)架桿件將產(chǎn)生附加溫度應力 必須在計算和構(gòu)造措施中加以考慮 當網(wǎng)架結(jié)構(gòu)符合P120條件之一者 可不考慮溫度變化而引起的內(nèi)力 4 地震作用一般情況下 在抗震設防烈度為6度或7度的地區(qū) 網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)可不進行豎向抗震驗算 在抗震設防烈度為8度或9度的地區(qū) 網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)應進行豎向抗震驗算 7 3 3 4 2荷載效應組合1 承載能力極限狀態(tài)對于承載能力極限狀態(tài) 應按下列組合值中取最不利值進行設計 對于非抗震設計時 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應組合的設計值應按下式計算 1 由可變荷載效應控制的組合2 由永久荷載效應控制的組合 3 4 3 5 8 對于抗震設計時 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用效應和其他荷載效應組合的設計值應按下式計算 2 正常使用極限狀態(tài) 3 6 3 7 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的容許撓度不應超過下列數(shù)值 用作屋蓋 L 250 用作樓蓋 L 300 L為網(wǎng)架的短向跨度 當網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大撓度值不滿足容許撓度限值時 需要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度或通過適當起拱的方法來解決 有起拱要求時 其撓度不得大于短向跨度的1 300 9 3 3 5網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計算方法1 空間桁架位移法空間桁架位移法 空間桿系有限元法 以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件作為基本單元 以節(jié)點位移作為基本未知量 先對桿件單元進行分析 根據(jù)虎克定律建立單元桿件內(nèi)力與節(jié)點位移之間的關(guān)系 形成單元剛度矩陣 然后再對結(jié)構(gòu)進行整體分析 根據(jù)各節(jié)點的變形協(xié)調(diào)條件和靜力平衡條件建立結(jié)構(gòu)上的節(jié)點荷載和節(jié)點位移之間的關(guān)系 形成結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣和總剛度方程 求解引入給定邊界條件后的總剛度方程 得出各節(jié)點的位移值 最后 由單元桿件內(nèi)力與節(jié)點位移之間的關(guān)系求出桿件內(nèi)力 空間桁架位移法是目前空間桿系結(jié)構(gòu)計算精度最高的一種方法 實踐證明計算結(jié)果與試驗值極為接近 適用于各種類型 各種平面形狀 不同邊界條件的網(wǎng)架 靜力荷載 地震作用 溫度作用等工況均可計算 也可同時考慮網(wǎng)架與下部支承的共同作用 10 2 交叉梁系差分法交叉梁系差分法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系組成的網(wǎng)架或正放四角錐網(wǎng)架的計算 3 擬夾層板法擬夾層板法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系組成的網(wǎng)架或角錐網(wǎng)架的計算 此法可考慮剪切變形和剛度變化的影響 4 假想彎矩法假想彎矩法可用于斜放四角錐網(wǎng)架 棋盤形四角錐網(wǎng)架的估算 11 3 3 7網(wǎng)架的桿件與節(jié)點桿件的材料一般用Q235鋼和16Mn鋼 16Mn鋼強度高 塑性好 當荷載較大或跨度較大時 宜采用16Mn鋼 可以減輕網(wǎng)架自重和節(jié)約鋼材 網(wǎng)架常采用圓鋼管 角鋼 薄壁型鋼作為桿件 圓鋼管截面封閉 且各向同性 抗彎剛度各向都相同 回轉(zhuǎn)半徑大 抗扭剛度大 因此受力性能較好 承載力高 桿件優(yōu)先選用圓鋼管 且最好是薄壁鋼管 但圓鋼管的價格較高 因而對于中小跨度且荷載較小 也可采用角鋼或薄壁型鋼 桿件截面型式的選擇主要與網(wǎng)架的網(wǎng)格形式和節(jié)點形式有關(guān) 對于交叉平面桁架體系 可選用角鋼或圓鋼管 對于角錐體系網(wǎng)架則應選擇圓鋼管 若采用鋼板節(jié)點 宜選用角鋼桿件 若采用焊接球節(jié)點 螺栓球節(jié)點 則應選用圓鋼管桿件 網(wǎng)架桿件一般情況下為軸心受力桿件 也可能為拉彎或壓彎桿件 具體應根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩方面的設計計算 12 圖3 48鋼板節(jié)點 a 角鋼鋼板節(jié)點 b 管筒米字型板節(jié)點 圖3 49焊接空心球 圖3 50螺栓球節(jié)點 13 3 4網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)3 4 1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式及選型1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的常用形式2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的選型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設計應根據(jù)建筑物的功能 平面形狀和尺寸 網(wǎng)殼的支承方式 荷載大小 建筑構(gòu)造與要求 綜合考慮材料供應和施工條件以及制作安裝方法 選擇合理的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式 以取得良好的技術(shù)經(jīng)濟效果 一般情況下 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于穩(wěn)定性較差 只適合于中 小跨度的建筑 而雙層網(wǎng)殼適合于跨度大小40m的建筑 當網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)承受較大的非對稱荷載或集中荷載時 對于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應選用球面短程線型 凱威特型 柱面雙斜桿型和聯(lián)方型等穩(wěn)定性好的網(wǎng)格形式 網(wǎng)殼的矢高對結(jié)構(gòu)受力性能影響很大 當網(wǎng)殼的跨度較小時 可選用矢高較小的雙曲扁網(wǎng)殼或落地式的雙曲拋物面網(wǎng)殼 當跨度較大時 應選用矢高較大的球面或柱面網(wǎng)殼 14 3 5懸索結(jié)構(gòu)3 5 1懸索結(jié)構(gòu)形式及選型1懸索結(jié)構(gòu)的常用形式2懸索結(jié)構(gòu)的選型懸索結(jié)構(gòu)的設計選型時 建筑物的功能 平面形狀 結(jié)構(gòu)跨度以及荷載大小等將是結(jié)構(gòu)選型的主要考慮因素 通常矩形平面可采用單層單向懸索 承重索沿長邊方向布置 或雙層單向懸索 索沿短邊向布置 在圓形平面中可采用單層或雙層輻射狀懸索及索網(wǎng)結(jié)構(gòu) 在接近方形的平面和橢圓形平面中則選用索網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為合適 當平面為梯形或扇形 采用單層或雙層懸索體系時 索的兩端支點應按等距離設置 索系可按不平行布置 一般情況下 單層懸索結(jié)構(gòu)體系由于形狀穩(wěn)定性較差宜采用重屋面或通過設置橫向加勁構(gòu)件來改善其工作性能 雙層懸索體系 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)宜采用輕屋面 也可采用重屋面 雙層單向懸索結(jié)構(gòu)應設置足夠的邊緣支撐構(gòu)件來加強結(jié)構(gòu)的整體性 輻射狀懸索結(jié)構(gòu)布索時為了不使外環(huán)錨固孔過密而削弱環(huán)截面 上 下索宜錯開布置 因此上 下索數(shù)量相等或呈倍數(shù) 以使外環(huán)受力均勻 15 3 6其他新型空間結(jié)構(gòu)1拉整體結(jié)構(gòu) 圖3 68張拉整體結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 69美國亞特蘭大奧運會主體育館 16 2混合空間結(jié)構(gòu) 江西省體育館屋蓋結(jié)構(gòu) 拱 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 17 上海石化總廠附中體育館拱支單層柱面網(wǎng)殼 2 拱一空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 18 四川省體育館 3 拱一懸索混合結(jié)構(gòu) 19 沙特阿拉伯首都利雅德的法赫德國際體育場 4 張拉薄膜結(jié)構(gòu) 20 5 斜拉混合結(jié)構(gòu) 上海八萬人體育場 深圳歡樂谷中心表演場 21 6 索一桁架結(jié)構(gòu) 安徽省體育館的索 桁架組合屋蓋結(jié)構(gòu) a 屋面平面結(jié)構(gòu) b 縱剖面圖 22 3開合屋蓋結(jié)構(gòu)1 自承式開合屋蓋結(jié)構(gòu)2 它承式開合屋蓋結(jié)構(gòu)3 折疊式開合屋蓋結(jié)構(gòu) a 閉合狀態(tài) b 開啟狀態(tài)3 85日本海洋穹頂 23 閉合狀態(tài) b 開啟狀態(tài)圖3 86大分體育館 圖3 87福岡穹頂 24 桁架形式 圖3 1平面桁架 圖3 2空間桁架 25 圖3 3預應力桁架 屋蓋結(jié)構(gòu)用于跨度為50 100m時特別經(jīng)濟 26 圖3 5實腹式雙鉸框架 L 50 60m H L 20 L 12 圖3 6格構(gòu)式框架 雙鉸 無鉸 預應力H L 30 L 10 27 圖3 7折線形格構(gòu)式框架 高度15 20m H 1 25 1 15 圖3 8各種預應力框架 28 圖3 12拱的形式 展覽館 體育館 飛機庫 倉庫 圖3 13設有抬高拉桿的拱 a 雙鉸拱 b 三鉸拱 c 無鉸拱 29 圖3 14多跨拱 多跨拱常用于火車站 展覽館及其它類似建筑中 相鄰跨的橫向反力大都能相互抵消 僅在各跨活荷載不等和受風荷載作用時 才受彎 因此支座的截面不大 30 圖3 18網(wǎng)架形式 a 平板型網(wǎng)架 雙層 b 殼型網(wǎng)架 單層 雙曲 c 殼型網(wǎng)架 單層 單曲 31 圖3 20兩向正交正放網(wǎng)架 圖3 21兩向正交斜放網(wǎng)架 構(gòu)造簡單 便于制作安裝 適用于正方形 近似正方形的建筑平面 跨度以30 60m的中等跨度為宜 適用于建筑平面為正方形或長方形的中大跨度的情況 32 圖3 23兩向斜交斜放網(wǎng)架 圖3 24三向交叉網(wǎng)架 構(gòu)造復雜 受力性能不好 因而很少采用 一般用于建筑平面兩方向柱距不等的情況 節(jié)點構(gòu)造比較復雜 適用大跨度建筑 l 60m 特別適用于三角形 多邊形和圓形的建筑平面 33 圖3 25三角錐網(wǎng)架 圖3 26抽空三角錐網(wǎng)架圖3 27蜂窩形三角錐網(wǎng)架 網(wǎng)架桿件減少 用料較省 構(gòu)造也較簡單 但空間剛度不如前者 適用于較小跨的三角形 六邊形和圓形平面的建筑 上弦平面的六邊形網(wǎng)格增加了屋面板布置與屋面找坡的困難 這種網(wǎng)架適用于中 小跨度的周邊支承的六邊形 矩形和圓形平面的建筑 34 圖3 28正放四角錐網(wǎng)架 圖3 29正放抽空四角錐網(wǎng)架 受力較均勻 空間剛度較好 則屋面板規(guī)格統(tǒng)一 上下弦桿長度相同 制作 構(gòu)造簡單 但桿件數(shù)量多 用鋼量大些 適用于建筑平面接近正方形平面的中 小跨度周邊支承的情況 也適用于大柱網(wǎng) 點支承 設有懸掛吊車的工業(yè)廠房的情況 節(jié)點匯集的桿件數(shù)目少 構(gòu)造簡單 這種網(wǎng)架適用于中小跨度和矩形平面的建筑 35 圖3 32星形四角錐網(wǎng)架 上弦桿比下弦桿短 受力合理 但在角部上弦桿可能受拉 該處支座可能出現(xiàn)拉力 這種網(wǎng)架剛度較正放四角錐網(wǎng)架差 適用于中 小跨度周邊支承的網(wǎng)架 圖3 33棋盤形四角錐網(wǎng)架 適用于狹長矩形平面的建筑 36 a 錐尖向下 b 錐尖向上 圖3 35六角錐體網(wǎng)架 此種網(wǎng)架的桿件多 節(jié)點構(gòu)造復雜 屋面板為三角形或六角形 施工較困難 現(xiàn)已很少采用 37 a b c d 圖3 59圓柱面網(wǎng)殼 單層網(wǎng)殼 雙層網(wǎng)殼 38 圖3 61球面網(wǎng)殼的網(wǎng)格圖 a 肋環(huán)型 b 肋環(huán)斜桿型 c 三向網(wǎng)格 d 扇形三向網(wǎng)格 e 葵花形三向網(wǎng)格 f 短程線型 39 a b a b 圖3 62橢圓拋物面網(wǎng)殼的網(wǎng)格圖3 63雙曲拋物面網(wǎng)殼的網(wǎng)格 40 圖3 65單層懸索體系 圖3 66雙層懸索體系 單層單向平行布置 單層輻射狀布置 單層網(wǎng)狀布置 雙層單向平行布置 雙層輻射狀布置 41 圖3 67索網(wǎng)結(jié)構(gòu) 42 一 國家體育場 平面為橢圓形 長軸340m短軸292m 屋蓋中間設185 3mX127 5m開口 整體承重結(jié)構(gòu)由一系列門式剛架繞著內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)而成 這種結(jié)構(gòu)布置形成一種三維空間承重體系 可容納8萬人 奧運會期間可容納10萬人 43 二 國家游泳中心 國家游泳中心建筑體形簡單 為170mx170mx29m方盒子狀 屋蓋厚7m 墻厚5 4m 可容納1 7萬人 外墻及屋面的填充單元是由十二面體和十四面體組合而成的異型網(wǎng)格或稱WP多面體 Weaire phelan 然后再按一定角度斜切成水泡狀網(wǎng)格 既有上弦 也有下弦 中間為腹桿 網(wǎng)格內(nèi)外均鋪設透明的ETFE充氣膜膜枕 賦以整個建筑以晶瑩剔透的外表 這種結(jié)構(gòu)又稱之為 水立方 WaterCube 桿件仍用傳統(tǒng)的方鋼管 上下弦 及圓鋼管 腹桿 而節(jié)點大多數(shù)為我國采用最普遍的常規(guī)和異型焊接空心球節(jié)點 44 三 國家體育館 國家體育館在建筑空間上劃分為兩個大廳 即比賽大廳和訓練大廳 比賽大廳空間平面尺寸為114mX144 5m 柱頂高度約35m 43m 30m 訓練大廳空間平面尺寸為51mX63m 柱頂高度約30m 22 3m 屋蓋結(jié)構(gòu)采用新型空間結(jié)構(gòu)雙向張弦桁架體系 下部結(jié)構(gòu)為框架抗震墻結(jié)構(gòu)與型鋼混凝土框架 鋼支撐相結(jié)合的混合型結(jié)構(gòu)體系 45 四 天津奧林匹克中心體育場 天津體育場的外觀造型以具有自然形態(tài)的露珠為主題 屋頂結(jié)構(gòu)采用鋼桁架懸挑結(jié)構(gòu) 屋頂桁架選用V字型平行弦桁架懸挑結(jié)構(gòu) 懸挑長度50m 支點間距14m 鋼結(jié)構(gòu)屋架平面呈扁長橢圓 長軸約471米 短軸約370米 整個平面沿長軸對稱 屋面桁架落地 形似露珠 內(nèi)圈和外圈鋪設玻璃面板 中間部分基本為金屬板 但在V型桁架之間交替鋪設玻璃和金屬板 46 五 北京老山奧運自行車館 屋蓋結(jié)構(gòu)采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 網(wǎng)殼跨度133 06m 沿周邊外挑8 238m 矢高14 69m 總投影面積約17000m2 網(wǎng)殼通過24對人字型柱支承于沿周邊均勻分布的24根鋼筋混凝土柱柱頂 人字型柱柱頂設置鋼結(jié)構(gòu)圈梁 利用網(wǎng)殼外挑部分設置圈梁桁架 鋼筋混凝土柱柱頂標高 7 15m 網(wǎng)殼最高點標高 35 49m 網(wǎng)殼采用四角錐網(wǎng)格 最大網(wǎng)格尺寸為4 96m 4 24m 厚度2 8m 47 六 2008年奧運會籃球館 五棵松 屋蓋結(jié)構(gòu)平面120m 120m采用雙向正交正放桁架組成的網(wǎng)架 網(wǎng)格一般為12m 支于周邊20根混凝土柱上 并在四邊柱向共設八道交叉支撐 檐高37 3m 桿件截面為箱形和H型 鋼材為Q345C