大跨度鋼結構課件(平面桿件體系)

大跨與空間

鋼結構熊剛重慶大學土木工程學院12021/10/10星期日2桁架22021/10/10星期日大跨度屋蓋結構中，作為受彎的梁式體系，桁架是一種常見的結構體系。大跨度桁架一般采用簡支或懸挑結構形式，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。適用跨度：4060m，更大的跨度由于耗鋼量過大而不經濟。

32021/10/10星期日常用的屋架形式有：三角形、矩形、梯形與拱形等。

屋架的選擇首先應符合建筑物的用途，其次應考慮經濟、施工方便、便于連接以及結構剛度問題。腹桿的布置應盡量使長桿受拉、短桿受壓，桿件之間的夾角在30o~60o之間。2.1桁架的形式和選型42021/10/10星期日三角形屋架在大跨度屋蓋中很少用，因為跨中的高度要做得很高。平行弦的矩形屋架也因為不利于屋面排水而很少采用，最常用的是如圖2-1所示的梯形（常用鋼結構屋架）與拱形桁架（常用預應力混凝土屋架）。52021/10/10星期日圖2-1常用桁架形式62021/10/10星期日桁架結構常用于大跨度屋蓋結構。我國在50年代北京人民大會堂中曾采用60m跨度的鋼屋架，在一些工業(yè)廠房中也曾建造了最大跨度達72m的梯形鋼屋架。在北京民航港的機修庫上，曾采用60m跨度的預應力混凝土拱形桁架。施工時桁架在地面拼裝，利用設在柱頂?shù)那Ы镯斕嵘臀?圖2-2)。

桁架結構還大量用于體育場館等公共建筑的挑棚結構當中(圖2-3)。72021/10/10星期日圖2-2預應力混凝土拱形桁架提升82021/10/10星期日在公共建筑中大量用于體育場挑棚結構圖2-3

大阪長居田徑場(OsakaStadium)92021/10/10星期日

鋼結構桁架桿件的形式：（1）角鋼（或T型鋼）桁架；（2）槽鋼、H型鋼重型桁架；（3）鋼管桁架（圓鋼管或矩形管）。102021/10/10星期日

2.2.1基本假定1、節(jié)點處所有桿件軸線交與一點；2、荷載作用于節(jié)點上，對節(jié)間荷載將其分配到相鄰兩節(jié)點并計入節(jié)間彎矩；3、各節(jié)點為理想鉸接。2.2桁架的內力計算112021/10/10星期日對于第3條假定，鋼結構設計規(guī)范規(guī)定：對于節(jié)點板連接的桁架，當桿件為H型、箱型等剛度較大的截面，且在桁架平面內的桿件截面高度與其幾何長度（節(jié)點中心距離）之比大于1/10(對弦桿)或大于1/15(對于腹桿)應考慮節(jié)點剛性引起的次彎矩。

同時規(guī)定，對于鋼管桁架，在桁架平面內桿件的節(jié)間長度或桿件長度與截面高度(直徑)之比不小于12(對主管)和24(對支管)時才能假定節(jié)點為鉸接。122021/10/10星期日

2.2.2內力計算和荷載組合

桁架桿件的內力一般采用計算機或圖解法及數(shù)解法進行計算。

進行荷載組合時，應考慮下列荷載作用情況：1、全跨荷載；2、半跨荷載；3、對輕屋面應考慮風吸力的影響；4、大噸位吊車可能引起的下弦桿件內力變化。132021/10/10星期日

2.2.3抗震分析

桁架結構是平面多自由度鉸接體系，每個鉸接節(jié)點上有兩個自由度（圖2-4）。地震時，結構體系上受到的水平地震作用主要由屋蓋的支承系統(tǒng)（如柱、墻等）承擔。所以，大跨度平面桿系屋蓋結構的抗震設計中，主要問題是確定地震時結構尚受到的豎向地震作用。一旦求出地震作用，即可將其視為等效靜荷載作用于結構來計算地震效應（內力、變形等），進行結構的承載力和剛度驗算。142021/10/10星期日圖2-4

平面多自由度鉸接體系152021/10/10星期日一、自振特性

基本假定：1、節(jié)點處所有桿件軸線交與一點；2、荷載作用于節(jié)點上；3、各節(jié)點為理想鉸接；4、豎向地震作用下結構始終處于彈性工作段；5、支座簡化為簡支，不考慮柱變形對地震作用及效應的影響。162021/10/10星期日基本周期與跨度的關系：

對跨度為24m到72m的鋼結構梯形屋架和預應力混凝土拱形屋架的理論分析和實驗研究表明：1、大跨度桁架的基本周期在0.2~0.7s之間；2、基本周期隨跨度增加而增長，表明跨度越大剛度越小。3、相同跨度的混凝土桁架基本周期小于鋼結構桁架。172021/10/10星期日桁架結構的振型：

平面桁架結構類似梁式結構，它的豎向振型與簡支梁一樣依次為一個半波、兩個半波、三個半波，如圖2-5：

圖2-5

桁架的振型第一振型第二振型第三振型182021/10/10星期日二、豎向地震內力1、振型對內力的影響：

對簡支桁架結構的豎向內力，采用振型分解法進行分析，有以下規(guī)律：(1)絕大部分桿件的豎向地震內力由第一振型貢獻；(2)上下弦中第三振型貢獻極??；(3)部分腹桿第三振型起重要作用，主要是位于第三振型節(jié)點附近的腹桿。因此，較高振型的影響在于腹桿。192021/10/10星期日

2、豎向地震內力系數(shù)：

為方便討論豎向地震內力與靜內力的關系，引入豎向地震內力系數(shù)ξi式中：

ξi—第i桿豎向地震內力；

Ssi—第i桿靜內力；SEi—第i桿豎向地震內力。202021/10/10星期日

豎向地震內力系數(shù)的分布規(guī)律：(1)豎向地震影響系數(shù)ξ分布較均勻；(2)個別腹桿ξ值較大，但這些腹桿的內力相當小，通常按構造要求設置，不必過多注意。(3)ξ值從支座向跨中逐漸增加，但增長率不大，考慮實際工程中上下弦桿通常采用同一斷面，為簡化，往往忽略這一變化，取最大ξ值；

(4)相同跨度的預應力混凝土屋架ξ值大于鋼屋架的ξ值。212021/10/10星期日三、規(guī)范采用的方法

基于以上ξ值的分布規(guī)律，為方便應用，《建筑抗震設計規(guī)范》直接規(guī)定：1、跨度大于24m的屋架、屋蓋橫梁及托架的豎向地震作用標準值，宜取其重力荷載代表值和豎向地震作用系數(shù)的乘積。豎向地震作用系數(shù)按表2-1選用。222021/10/10星期日結構類型烈度場地類別ⅠⅡⅢ、Ⅳ平板網架、鋼屋架8可不計算（0.10）0.08（0.12）0.10（0.15）90.150.150.20鋼架混凝土屋架80.10（0.15）0.13（0.19）0.13（0.19）90.200.250.25表2-1

豎向地震作用系數(shù)注：括號中數(shù)值用于設計基本地震加速度為0.30g的地區(qū)。232021/10/10星期日2、長懸背構件豎向地震作用標準值，8度和9度可分別取該結構、構件重力荷載代表值的10%和20%，設計基本地震加速度為0.3g時，可取該結構、構件重力荷載代表值的15%。242021/10/10星期日根據計算的內力，對桿件進行驗算，一般按軸心受力構件驗算截面。

強度驗算：長細比驗算：

整體穩(wěn)定驗算：

局部穩(wěn)定驗算：對有節(jié)間荷載的構件，尚應考慮局部彎矩的影響，分別按壓彎或拉彎構件進行截面驗算。2.3桁架的桿件驗算252021/10/10星期日桿件在桁架平面外的計算長度，通常與支撐或檁條的設置有關，對于空間桁架，由于弦桿在桁架平面外支撐較強，一般可減少或取消支撐的設置。262021/10/10星期日2.4節(jié)點設計桁架設計的難點在節(jié)點和支座，跨度大于35～40m時，梁式結構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生。

272021/10/10星期日2.4.1角鋼（或T型鋼）桁架一般用節(jié)點板連接，過去采用的方法是按桁架弦桿或腹桿的最大內力選擇節(jié)點板厚，當受力較復雜時不可靠。國外有些規(guī)范（如美國AISC規(guī)范）規(guī)定需進行計算。

88規(guī)范后的90年代，重慶鋼鐵設計研究院會同云南省建筑設計院作了一系列雙角鋼桿件桁架節(jié)點板的試驗，其中受拉試件16個，受壓試件8個。

282021/10/10星期日

（1）受拉節(jié)點試件的破壞特征均為沿最危險的線段撕裂破壞，即圖b中的三折線撕裂，和均與節(jié)點板邊緣線基本垂直。292021/10/10星期日

《鋼結構設計規(guī)范》用撕裂面法，沿BACD撕裂線割取自由體，假定由于板內塑性區(qū)的發(fā)展引起應力重分布，破壞時撕裂面各線段上的正應力均勻分布且平行于腹桿軸力，當各撕裂段上的折算應力均達到抗拉強度fu時板件破壞。根據平衡條件并忽略M和V，則第i段撕裂面的平均正應力

i和平均剪應力

i為:302021/10/10星期日折算應力為即令第i段的拉剪折算系數(shù)則由寫成計算式則為（1）312021/10/10星期日

——第i段撕裂面與拉力作用線的夾角。公式（1）符合破壞機理，其計算結果與試驗值之比平均為87.5%，略偏安全且離散性小。公式還適用于下圖兩種板件的撕裂面的計算。

322021/10/10星期日

由于桁架節(jié)點板的外形往往不規(guī)則，同時，一些受動力荷載的桁架還需要計算節(jié)點板的疲勞，用撕裂面法推導出來的公式計算比較麻煩。故參照國外多數(shù)國家的經驗，規(guī)范建議對桁架節(jié)點板也可采用有效寬度法進行承載力計算。有效寬度法假定腹桿軸力Ｎ通過連接件在節(jié)點板內按照應力擴散角度傳至連接件端部與N相垂直的一定寬度范圍內，稱為有效寬度be。332021/10/10星期日

假定be范圍內的節(jié)點板應力達到fu，并令be·t·fu=Nu(節(jié)點板破壞時的腹桿軸力)，按此法擬合的結果，當應力擴散角

=270時精度最高，計算值與試驗值的比值平均為98.9%；當

=300時，比值為106.8%，考慮到國外多數(shù)國家對應力擴散角均取為300，規(guī)范取

=300。342021/10/10星期日

有效寬度法適用于腹桿與節(jié)點板采用側焊、圍焊、鉚釘、螺栓等多種連接情況，（采用鉚釘或螺栓連接時，be應取為有效凈寬度）。352021/10/10星期日

（2）受壓節(jié)點在壓力作用下，與受壓桿件相連的節(jié)點板區(qū)域除強度破壞外，還有可能喪失穩(wěn)定。試驗共作了8個受壓斜腹桿的試件，其中有、無豎腹桿的試件各4個。試驗結果有以下特點：①當節(jié)點板的自由邊長度lf與厚度t之比時（一般出現(xiàn)在無豎腹桿的節(jié)點板），節(jié)點板穩(wěn)定性很差，此時應沿自由邊加勁。加勁后，穩(wěn)定承載力有較大提高。362021/10/10星期日②在斜腹桿壓力作用下，失穩(wěn)形式一般為在AB—BC—CD線附近或前方呈三折線屈折破壞。屈折線的位置和方向與受拉時的撕裂線類似，而且一般在區(qū)的前方首先失穩(wěn)，其它各區(qū)相繼失穩(wěn)。372021/10/10星期日③節(jié)點板的抗壓性能取決于c/t的大?。╟為受壓斜腹桿連接肢端面中點沿腹桿軸線方向至弦桿的凈距），在一般情況下，c/t愈大穩(wěn)定承載力愈低，對有豎腹桿的節(jié)點板，當時，可不驗算節(jié)點板的穩(wěn)定。382021/10/10星期日④對無豎腹桿的節(jié)點板，當時，節(jié)點板的穩(wěn)定承載力約為強度承載力的80%，故穩(wěn)定承載力取0.8betf。當時應按規(guī)范附錄F進行穩(wěn)定計算。但當時，規(guī)范規(guī)定的計算值將大于試驗值，不安全，故規(guī)定c/t不能超過。對自由邊加勁的無豎腹桿節(jié)點板，要求與有豎腹桿的相同。392021/10/10星期日

當不滿足上述構造要求時，應按規(guī)范進行穩(wěn)定驗算。402021/10/10星期日412021/10/10星期日BA區(qū)穩(wěn)定驗算AC區(qū)穩(wěn)定驗算CD區(qū)穩(wěn)定驗算422021/10/10星期日式中t—節(jié)點板厚度N—受壓斜腹桿軸力—分別為BA、AC、CD長度—各受壓區(qū)軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，按b類截面查?。幌鄳L細比分別為：，

。式中QR、ST、UV為各受壓半段中線長度。

—各屈折線在有效寬度上的投影，分別為線段WA、AC、CZ長度。432021/10/10星期日

為保證節(jié)點板受壓時的穩(wěn)定，桁架桿件間間隙不能太大，例如有豎腹桿的節(jié)點板（或自由邊有加勁的節(jié)點板），不能理解為c值愈小愈好。規(guī)范規(guī)定“弦桿與腹桿、腹桿與腹桿之間的間隙，不應小于20mm”，是由于間隙過小，焊接殘余應力影響過大。而對吊車桁架，為避免疲勞破壞又規(guī)定此間隙“不宜小于50mm”；同時還規(guī)定在工作溫度-20

C地區(qū)的桁架，為防冷脆，“腹桿與弦桿相鄰焊縫焊趾間凈距不宜小于2.5t”。同樣，這些規(guī)定不能理解為桿件間間隙愈大愈好，在某些情況如出現(xiàn)矛盾，應妥善處理。442021/10/10星期日

隨著熱軋H型鋼在我國投產，剖分T型鋼用于桁架弦桿或腹桿的情況越來越多。T型鋼桁架的優(yōu)點是：無離縫、防腐易處理、用鋼量省。

問題：（1）節(jié)點施工不方便；（2）節(jié)點構造方式不同，節(jié)點內的應力狀態(tài)更加復雜，同時，對節(jié)點受力研究不夠，故規(guī)范公式均不適用.452021/10/10星期日2.4.2槽鋼或H型鋼重型桁架桁架節(jié)點鉸接是一種近似，條件是桿件較細長，以槽鋼或H型鋼作弦桿或腹桿的重型桁架，設計時應注意節(jié)點的次應力，或按剛接節(jié)點設計，對重要的節(jié)點還應進行有限元分析。

462021/10/10星期日H型鋼桁架節(jié)點構造472021/10/10星期日

上海證卷大廈

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。482021/10/10星期日2.4.3鋼管桁架（圓管或矩形管）

所有弦桿和腹桿均采用圓鋼管或方鋼管，在節(jié)點處直接焊接連接。方管桁架圓管桁架492021/10/10星期日日本大分體育公園綜合競技場502021/10/10星期日

鋼管桁架節(jié)點受力復雜，原88規(guī)范只有直接焊接的平面桁架式圓管結構的條文。近幾年同濟大學對圓鋼管空間桁架節(jié)點作了一些試驗和分析；哈建大對直接焊接的方管桁架結構（主管為方管，支管為方管或圓管）的節(jié)點作了一些試驗和分析，《鋼結構設計規(guī)范》修訂時，其成果已部分納入。512021/10/10星期日直接焊接的平面圓鋼管節(jié)點a)X型節(jié)點；b)T型或Y型節(jié)點；c）K型節(jié)點鋼管結構的節(jié)點形式522021/10/10星期日直接焊接的空間圓鋼管節(jié)點e)TT型節(jié)點；f)KK型節(jié)點532021/10/10星期日XX型管節(jié)點：

XX型管節(jié)點的數(shù)據量較少，計算結果與試驗結果吻合情況也不甚理想，而這種節(jié)點類型目前在實際應用中較少用到，故在規(guī)范內未予列入。542021/10/10星期日直接焊接的矩形管（含方管）平面管節(jié)點

a)T、Y型節(jié)點；b)X型節(jié)點；c)K、N型節(jié)點，有間隙；d）K、N型節(jié)點，搭接。552021/10/10星期日鋼管結構的適用范圍：（1）不直接承受動力荷載。對于承受交變荷載的直接焊接鋼管節(jié)點，其疲勞問題遠較其它型鋼桿件節(jié)點受力情況復雜。（2）為防止鋼管發(fā)生局部屈曲，限制鋼管的徑厚比或寬厚比；（或）

（3）管結構采用的管材不應采用屈服強度fy超過345N/mm2以及屈強比fy/fu>0.8的鋼材，且鋼管壁厚不宜大于25mm。因為目前國內外對鋼管節(jié)點的試驗研究工作僅限于此范圍。562021/10/10星期日管結構節(jié)點的失效模式鋼管結構構件的管壁一般很薄，而管徑較大，在節(jié)點處直接焊接的鋼管節(jié)點實際上是由幾個圓筒殼交匯在一起的一個空間薄殼結構。理論上采用有限元方法或彈性薄殼理論進行分析是可行的，全過程分析需考慮局部材料進入塑性造成的材料非線形和節(jié)點處主管局部變形造成的幾何非線形。但目前主要依賴試驗。圓形和矩形的管節(jié)點有7種破壞模式：（1）主管壁因沖切或剪切而破壞；（2）主管壁因受拉屈服或受壓局部失穩(wěn)而破壞；572021/10/10星期日

（3）與支管相連的主管壁因形成塑性鉸線而失效；（4）支管與主管間連接焊縫的破壞；（5）受壓支管管壁的局部屈曲；（6）受拉支管側主管壁的局部屈曲；582021/10/10星期日（7）有間隙的K、N形節(jié)點中，主管在間隙處被剪壞或喪失軸向承載力而破壞。以上幾種失效模式，有時會同時發(fā)生。規(guī)范針對不同破壞模式給出了節(jié)點承載力的計算公式及構造要求，這些公式只有少數(shù)是理論推出的，大部分是經驗公式。592021/10/10星期日例如：

（1）當由支管與主管間連接焊縫的破壞控制時，可視支管與主管的連接焊縫為全周角焊縫按正面角焊縫公式進行計算，但取

f＝1。角焊縫的計算厚度沿支管周長是變化的，當支管軸心受力時，平均計算厚度可取0.7hf。

602021/10/10星期日

焊縫的長度實際上是支管與主管相交線長度，主、支管均為圓管的節(jié)點焊縫傳力較為均勻，焊縫的計算長度取為相交線長度，該相交線是一條空間曲線。規(guī)范取為：當di/d≤0.65時：lw＝(3.25di－0.025d)(＋0.466)

當di/d>0.65時：lw＝(3.81di－0.389d)(＋0.466)式中

d、di─分別為主管和支管外徑；

i─支管軸線與主管軸線的夾角。612021/10/10星期日（2）當由主管壁塑性鉸線的失效模式控制時，對X形節(jié)點，受壓支管在管節(jié)點處的承載力設計值按下式計算：式中

n─參數(shù)；

n＝1-0.3-0.3()2；當節(jié)點兩側或一側主管受拉時，

n＝1。

t─主管壁厚；

─支管軸線與主管軸線之夾角；

f─主管鋼材抗拉、抗壓和抗彎強度設計值；

fy─主管鋼材的屈服強度；

─節(jié)點兩側主管較小軸心壓應力的絕對值。

622021/10/10星期日2.2拱

拱式結構外形美觀，體現(xiàn)了結構受力與建筑造型的完美結合，是大跨度鋼結構中一種重要的形式。632021/10/10星期日642021/10/10星期日3鋼拱652021/10/10星期日662021/10/10星期日3.1

拱的特點（1）拱在大跨度屋蓋中經常采用，特別是當建筑物要求墻體與屋頂連成一體時，落地拱尤為適用。拱在豎向均布荷載作用下，基本上處于受壓狀態(tài)，適合于以鋼筋混凝土之類的材料制成。但在大跨度時，往往做成格構式鋼拱。（2）拱的水平推力較大，在設計時必須保證可靠的傳遞或承受水平推力，這個問題有時會影響拱的選型。672021/10/10星期日對于落地拱來說，最理想的是將推力由基礎直接承受(圖3-1a)，并由基礎傳給地基，但這一定要有較好的地質條件。如果拱不能落地，而要設置在一定的高度上，則應考慮利用兩側的框架(3-1b)或縱向水平邊梁(圖3-1c)來承受拱的推力，這時框架或邊梁必須具有足夠的水平剛度。有時也可在拱腳處設置三角形的鋼筋混凝土框架(圖2-1d)，將拱推力通過框架傳給地基。此外，也可以在拱腳處設立水平拉桿圖2-1e)，這樣支承拱的柱子就不承受拱的推力，受力大為簡化，大跨度拱的拉桿最好施加預應力。682021/10/10星期日圖2-1拱推力的處理692021/10/10星期日圖2-1拱推力的處理702021/10/10星期日3.2

拱的形式（1）按結構組成和支承方式，拱可分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱三類。

雙鉸拱三鉸拱無鉸拱712021/10/10星期日

三鉸拱是靜定結構，計算分析簡單，當基礎有不均勻沉降時；不會引起附加內力。但由于跨中存在著鉸，使得拱和屋蓋結構的構造都比較復雜，剛度也是三者中較差的。

無鉸拱的跨中彎矩分布最為有利，但溫度應力較大，同時還需要較強的支座。

大跨度屋蓋中用得較多的是兩鉸拱，它的優(yōu)點是安裝簡單，用料經濟，在溫度變化時，由于鉸可以轉動，溫度應力也較低，但如有基礎不均勻沉降，則應考慮其對結構內力的影響。722021/10/10星期日（2）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。732021/10/10星期日3.3

拱的設計（1）選型：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力實質性的變化。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。742021/10/10星期日

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

（3）平面的拱式結構為一受壓曲桿，應按壓彎桿件設計，拱在彎矩作用平面內需要驗算強度和穩(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752021/10/10星期日

（4）拱在彎矩作用平面外的剛度如果與平面內相差很大，受壓時容易產生平面外的失穩(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。762021/10/10星期日拱腳的構造772021/10/10星期日

（6）三鉸拱中的拱頂鉸是構造設計的難點，格構式拱在支座鉸和拱頂鉸的部位，其截面需改變?yōu)閷嵏故剑瑫r還需設置適當?shù)募觿爬?，以傳遞較大的集中反力。782021/10/10星期日重慶市武警總隊訓練場（跨度61.4m）792021/10/10星期日802021/10/10星期日重慶出口加工區(qū)卡口812021/10/10星期日822021/10/10星期日達州市體育場效果圖832021/10/10星期日

達州市體育場看臺挑棚采用了在節(jié)點處相貫連接的圓鋼管空間桁架結構，拱頂為覆蓋的膜結構。圓鋼管空間桁架的主拱跨度為240m，與主拱垂直的次拱最大跨度34m。主拱截面為菱形空間桁架，次拱為三角形空間桁架，次拱與主拱間均采用相貫連接。842021/10/10星期日主、次拱均采用鋼管桁架852021/10/10星期日主、次拱鋼桁架平面布置圖862021/10/10星期日主、次拱截面形狀872021/10/10星期日

由于屋面采用膜結構，自重較輕，內力計算中風荷載起控制作用。同時由于結構體型復雜，對風荷載體型系數(shù)的取值很難套用現(xiàn)成的數(shù)據，因而對風荷載的計算考慮了幾種不同的情況。（1）風壓力作用；（2）風吸力作用；（3）半跨壓力半跨吸力作用。

對復雜而重要的結構，一般應進行風洞試驗。882021/10/10星期日3.4

壓型鋼板拱

壓型鋼板波紋拱屋蓋也是拱式結構的一種，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易喪失整體穩(wěn)定。892021/10/10星期日4框架式體系902021/10/10星期日與梁式結構體系相比，框架式體系比較經濟，且橫梁高度可以取得比梁式結構的高度小，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式兩大類。912021/10/10星期日4.1

實腹式框架體系

實腹式框架適用于跨度不太大（L=18～60m）的框架結構。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。實腹式框架橫梁的高度一般取L/12~L/20。當采用卸荷措施后，可取跨度的1/30～1/40。922021/10/10星期日在我國得到大力發(fā)展的輕型門式剛架結構，是實腹式框架結構體系的一種，其特點是屋蓋及墻體均采用壓型鋼板，結構主要承受自身的重量。932021/10/10星期日942021/10/10星期日門式剛架是一種有效利用材料的結構形式。由于構件尺寸小，房屋高度相應降低，減輕了建筑體積和重量。構件可以在工廠批量生產，工地安裝用高強螺栓連接，簡便而迅速，施工期短。同時，門式剛架造型簡潔美觀，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。952021/10/10星期日4.1.1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。

輕型房屋的剛度相對差，若懸掛吊車噸位大，可能剛架撓度難于滿足要求或設計效果不經濟。

（3）常用跨度：18

30m，高度4.5~9m。規(guī)程規(guī)定跨度可作到36m。962021/10/10星期日

目前已建工程最大跨度為72m（糧庫、機庫），據計算分析，門式剛架跨度大于42m經濟性較差，所以技術規(guī)程規(guī)定適用于跨度小于36m。

關于高度問題，美國MBMA有關條文規(guī)定的低層房屋高度是小于60呎，相當于18m。我國的實踐經驗證明，房子如到18m就6層樓高，那么風荷載、抗震設計、構造等設計問題可能超出門式剛架技術規(guī)程的規(guī)定，故建議適宜高度一般控制在9m，有橋式吊車不超過12m，這是根據20t橋吊所需的高度測算出來的。972021/10/10星期日982021/10/10星期日4.1.2結構特點（1）主體結構采用門式剛架，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。992021/10/10星期日

（2）采用變化構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）。1002021/10/10星期日

（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。（4）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。過去蘇聯(lián)鋼結構規(guī)范關于溫度區(qū)段長度規(guī)定比較嚴，而美國有關規(guī)范規(guī)定卻比較寬松，門式剛架規(guī)程參照美國規(guī)范規(guī)定縱向溫度區(qū)段不大于300米。1012021/10/10星期日

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）。1022021/10/10星期日

規(guī)程補充：“當有計算依據時，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；此外，吊車梁與柱的連接宜采用長圓孔。

b.設置雙柱。1032021/10/10星期日

（5）剛架斜梁的坡度取決于屋面排水坡度，一般i=1/8~1/20。門式剛架常用雙坡排水，這樣屋面板輔設簡易，屋面滲水、漏水現(xiàn)象可能性減少，但排水面積增大，如果有積水現(xiàn)象將很不利，故應嚴格控制各構件撓度和施工質量。

當屋面坡度大于1/20時，應校核結構變形后雨水排泄的能力，校核時應考慮安裝差，支座沉降、構件撓度、側移和起拱的影響。1042021/10/10星期日

（6）減小構件翼緣及腹板厚度，是門式剛架結構省材料的主要手段之一，一般腹板壁厚在4~10mm（4mm是規(guī)程規(guī)定的下限），由于板薄，局部穩(wěn)定很難滿足，主要利用腹板截面的屈曲后強度。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002推薦采用Q235、Q345鋼材。對冷彎薄壁型鋼，北美地區(qū)對高強度鋼材僅用到其屈服強度的75%左右。1052021/10/10星期日

（7）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《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》已取消了壁厚6mm上限的規(guī)定，板厚由設計者自行掌握。1062021/10/10星期日

（8）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。1072021/10/10星期日

支撐一般為十字交叉，截面采用張緊的圓鋼或小角鋼。1082021/10/10星期日4.1.3荷載計算的特點

1、《建筑結構荷載規(guī)范》將不上人的屋面均布活荷載標準值統(tǒng)一規(guī)定為0.5kN/m2，不同的結構體系按相應專業(yè)規(guī)范采用，但不低于0.3kN/m2。對不上人的屋面均布活荷載，較早的荷載規(guī)范取0.3kN/m2，后發(fā)現(xiàn)對重屋面偏低，74規(guī)范改為0.5kN/m2。采用概率極限狀態(tài)設計法后發(fā)現(xiàn)對以恒載為主的結構（混凝土結構）可靠度下降，故又提高到0.7kN/m2。1092021/10/10星期日

現(xiàn)在采用的荷載規(guī)范增加了以恒載為主的不利組合式，屋面活荷載中主要考慮的僅是施工荷載即偶然因素的不利影響，故又恢復到0.5kN/m2。但注明“對不同結構可按有關設計規(guī)范作0.2kN/m2的增減”。新修訂的《鋼結構設計規(guī)范》規(guī)定“對支承輕屋面的構件或結構，當僅有一個可變荷載且受荷面積超過60m2時，取0.3kN/m2

”

。新修訂的《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》亦按此進行了修訂，應注意檁條的計算。1102021/10/10星期日

2、風荷載

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002關于風荷載體型系數(shù)是參照美國MBMA編制的《低層房屋系統(tǒng)手冊》，其規(guī)定的系數(shù)是綜合壓力系數(shù)，包含了風的陣風影響，是內外壓力的組合系數(shù)。由國際權威機構加拿大SICC和美國MBMA共同研究、通過邊界層風洞試驗求得的，已使用近百年，我國沒有自己的數(shù)據，故參照采用。

1112021/10/10星期日

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002對風荷載作用下的體型系數(shù)有特殊規(guī)定。對剛架、檁條、屋面板、墻梁等均有專門的規(guī)定。特別應注意房屋端區(qū)的風荷載體型系數(shù)不同于中間區(qū)。

1122021/10/10星期日

（3）雪荷載

雪荷載對輕型鋼結構房屋很敏感，故應認真對待，應考慮：半跨雪荷載的增大及多跨門式剛架溝壑處雪荷載增大等；對高大女兒墻宜采取措施防止雪的堆積。我國荷載規(guī)范規(guī)定兩坡面分別取雪荷載標準值的0.75倍和1.25倍；對雙山形屋面的規(guī)定是：外側坡面取全載，溝壑處取1.4倍荷載值，其分布長度為自谷底算起每側各l/4，l為一個山形屋頂?shù)目玳L。

1132021/10/10星期日4.1.4檁條設計特點

1、檁條為薄壁構件，在受力狀態(tài)其組成板件可能喪失局部穩(wěn)定而產生屈曲，但屈曲后仍能承載（利用薄膜效應，即張力場）。設計中利用其屈曲后強度，一般采用有效截面的方法進行強度計算。

1142021/10/10星期日

構件截面的組成板件按其縱邊的支承條件可分為：

1)兩邊支承板件；

2)一邊支承、一邊卷邊板件

3)一邊支承、一邊自由板件

1152021/10/10星期日

均勻受壓兩邊支承板件的屈曲后強度及有效寬度

受壓板件的有效寬度與板件厚度比值bef/t稱為受壓板件的有效寬厚比。

1162021/10/10星期日2、檁條的整體穩(wěn)定計算分為兩種情況：

a.風壓力作用下：一般壓型鋼板（條件是有足夠的抗剪件）和受壓區(qū)設置的檁間拉條能起側向約束作用。

b.風吸力作用下：下翼緣受壓（連續(xù)設置的檁條在風壓力作用下也有類似情況），受力狀態(tài)類似彈性地基梁，有研究認為可按彈性地基梁的壓桿計算，受拉翼緣對其的約束作用視為彈性地基梁的作用，截面扭轉和側向彎曲效應等效轉化為作用于下翼緣的側向荷載，以簡化計算。1172021/10/10星期日

保證框架穩(wěn)定的構造處理—加隅撐，此時檁條按連續(xù)梁計算。1182021/10/10星期日4.1.5構件設計特點（1）斜梁軸力較大，一般按壓彎構件設計，須滿足強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定的要求。工字形截面的腹板也可按考慮屈曲后強度進行設計，但最大高厚比不宜大于250。

工字形截面構件腹板考慮屈曲后強度的設計特點

（a）條款不適用于吊車梁，因有關資料不充分，多次反復屈曲可能導致腹板邊緣出現(xiàn)疲勞裂紋。1192021/10/10星期日（b）腹板受剪屈曲后的強度計算利用了張力場概念，使極限剪力大于屈曲剪力。精確確定張力場剪力值需要算出張力場寬度，比較復雜，為簡化計算采用了相當于下限的近似公式。

（c）利用腹板屈曲后強度，即使hw/tw很大，只要腹板的抗剪承載力不低于構件的實際最大剪力，一般不再考慮設置加勁肋。1202021/10/10星期日

（d）利用腹板屈曲后強度后，構件的抗彎及抗壓承載力有所降低，此時應按有效寬度計算截面特性，受壓區(qū)的有效寬度取:當截面全部受壓時：he=

hw

當截面部分受拉時：he=hc

1212021/10/10星期日

有效寬度系數(shù)

，與板件局部穩(wěn)定的臨界應力有關，

以通用高厚比作為參數(shù)，分為三個階段，完全彈性、完全塑性及彈塑性，即：當時，

(a)當

(b)當

(c)1222021/10/10星期日

(e)腹板屈曲后的抗剪承載力Vd，應為屈曲剪力與張力場剪力之和，用下列公式計算：當λw

0.8時

Vd=hwtwfv(a)當0.8<λw<1.4時：Vd=hwtwfv[1-0.64(λw-0.8)](b)當λw1.4時：Vd=hwtwfv(1-0.275λw)(c)式中λw——用于抗剪計算的腹板通用高厚比。1232021/10/10星期日（f）工字形截面受彎構件在剪力和彎矩作用下的強度，借用了歐洲規(guī)范EC3的基本計算式：當V

0.5Vd時,

M

Me

(a)當0.5Vd<V

Vd時,

(b)Mf—梁兩翼緣所承擔的彎矩，對雙軸對稱截面梁

Mf=Af(

hw·+t)f（Af為一個翼緣截面積）；Me—構件有效截面所承擔的彎矩，Me=Wef

。1242021/10/10星期日（g）工字形截面壓彎構件在剪力、彎矩和軸力共同作用下的強度，采用以下基本計算式：當V

0.5Vd時,

M

Me-NWe/Ae(a)當0.5Vd

V

<

Vd時,

(b)—兼受壓力時梁兩翼緣所承擔的彎矩，對雙軸對稱截面梁，=Af(

hw·+t)(f-N/A)；Ae

—構件的有效截面面積。1252021/10/10星期日

（h）考慮腹板屈曲后強度的加勁肋設計梁腹板利用屈曲后強度時，其中間加勁肋除承受集中荷載和翼緣轉折外，還承受張力場產生的壓力，該壓力按下式計算：Ｎs=V-0.9hwtw

cr

式中，Ｎs為腹板屈曲后張力場產生的壓力；cr為臨界剪應力。上式比理論值偏大，以考慮張力場張力的水平分力的不利影響。1262021/10/10星期日

（2）當采用變截面門式剛架時，剛架柱為楔形，其在剛架平面內的計算長度系數(shù)、不能再套用《鋼結構設計規(guī)范》，規(guī)程另有特殊規(guī)定。變截面柱在剛架平面內的整體穩(wěn)定計算公式仍借用了鋼結構設計規(guī)范的形式。軸力取小頭，彎矩取大頭。等效彎矩系數(shù)按有側移剛架取1.0。1272021/10/10星期日等截面剛架柱的計算長度1282021/10/10星期日

（3）搖擺柱失穩(wěn)時，其撓曲線類似于兩端鉸接的歐拉柱，因此計算長度取1.0。（4）連于剛架的搖擺柱，屈曲時對剛架產生水平