大跨與空間結(jié)構(gòu)

1、,內(nèi)蒙古科技大學(xué),大跨與空間鋼結(jié)構(gòu),參考書目： 1.《空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)》，貴州人民出版社； 2.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003； 3.《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ7-91； 4.《大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)》，中國建筑工業(yè)出版社； 5.《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，中國建筑工業(yè)出版社； 6.《空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工》，東南大學(xué)出版社； 7. 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102：2002 。,概 述,大跨與空間鋼結(jié)構(gòu)主

2、要用于公共建筑，如大會(huì)堂、影劇院、展覽館、音樂廳、體育館、加蓋體育場、航空港等。 大跨度結(jié)構(gòu)也用于工業(yè)建筑，如飛機(jī)制造廠的總裝配車間、飛機(jī)庫、造船廠的船體結(jié)構(gòu)車間等等。這些建筑采用大跨結(jié)構(gòu)是受裝配機(jī)器（如船舶、飛機(jī)）的大型尺寸或工藝過程要求所決定的。,展覽館,日本大分體育公園綜合競技場,倫敦千年穹頂,大跨度結(jié)構(gòu)的跨度沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》將60m以上定義為大跨度結(jié)構(gòu)，計(jì)算和構(gòu)

3、造均有特殊規(guī)定。我國目前最大跨度做到153m，以鋼索和膜材做成的索膜結(jié)構(gòu)最大已做到320m。 大跨度結(jié)構(gòu)主要是在自重荷載下工作，主要矛盾是減輕結(jié)構(gòu)自重，故最適宜采用鋼結(jié)構(gòu)。在大跨度屋蓋中應(yīng)盡可能使用輕質(zhì)屋面結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)屋面材料，如彩色涂層壓型鋼板、壓型鋁合金板等。,主要分為兩大類：,平面結(jié)構(gòu)體系,,梁式體系,框架式體系,拱式體系,空間結(jié)構(gòu)體系,,網(wǎng)架及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),懸索結(jié)構(gòu),膜結(jié)構(gòu),平面承重的大跨度鋼結(jié)構(gòu),1 梁式結(jié)構(gòu)體系 梁

4、式結(jié)構(gòu)體系一般采用簡支桁架的形式，桁架的優(yōu)點(diǎn)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，對支座也沒有橫推力。 適用跨度：40?60m，更大的跨度由于耗鋼量過大而不經(jīng)濟(jì)。 重點(diǎn)是支撐系統(tǒng)的布置，對保證整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的整體剛度是非常重要的。,大跨度梁式結(jié)構(gòu)的外形及腹桿體系，決定于跨度、屋面型式及吊天棚結(jié)構(gòu)的形式，常用的有梯形和拱形桁架。按重量最優(yōu)確定的桁架的高跨比一般為1/6～1/8。,常用形式：

5、 （1）角鋼（或T型鋼）桁架 （2） H型鋼重型桁架* （3）鋼管桁架（圓鋼管或矩形管）* 桁架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)和支座，跨度大于35～40m時(shí)，梁式結(jié)構(gòu)的支座之一必須作成可移動(dòng)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(chǎn)生。*,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(gè)樓層，采用了H型鋼重型桁架。

6、,上海浦東國際機(jī)場,上海浦東國際機(jī)場候機(jī)樓屋架梁跨度83m，跨中高度超過11m，單榀屋架梁重55噸。 為了增加屋架結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)為保證屋架梁在風(fēng)吸力作用下始終處于受拉狀態(tài)，下弦布置了一根預(yù)應(yīng)力鋼索，對下弦施加足夠的預(yù)應(yīng)力。,（1）角鋼（或T型鋼）桁架 一般用節(jié)點(diǎn)板連接，過去采用的方法是按桁架弦桿或腹桿的最大內(nèi)力選擇節(jié)點(diǎn)板厚，當(dāng)受力較復(fù)雜時(shí)不可靠。國外有些規(guī)范（如美國AISC規(guī)范）規(guī)定需進(jìn)行計(jì)算。 88規(guī)

7、范后的90年代，重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院會(huì)同云南省建筑設(shè)計(jì)院作了一系列雙角鋼桿件桁架節(jié)點(diǎn)板的試驗(yàn)，其中受拉試件16個(gè)，受壓試件8個(gè)。,a.受拉節(jié)點(diǎn) 試件的破壞特征均為沿最危險(xiǎn)的 線段撕裂破壞，即圖b中的三折線撕裂， 和 均與節(jié)點(diǎn)板邊緣線基本垂直。*,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議用撕裂面法，沿BACD撕裂線割取自由體，假定由于板內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展引起應(yīng)力重分布，破壞時(shí)撕裂面各線段上的折算應(yīng)力 均勻分布且平

8、行于腹桿軸力*，當(dāng)各撕裂段上的折算應(yīng)力均達(dá)到抗拉強(qiáng)度fu時(shí)板件破壞。根據(jù)平衡條件并忽略M和V，則第i 段撕裂面的平均正應(yīng)力?i 和平均剪應(yīng)力?i 為:,折算應(yīng)力為即令第i 段的拉剪折算系數(shù) 則 由 寫成計(jì)算式則為 （b）,——第i段撕裂面與拉力作用線的夾角。 公式（b）符合破壞機(jī)理，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值之比平均為87.5%，略偏安全且離散性小。 公式還適用

9、于下圖兩種板件的撕裂面的計(jì)算。,由于桁架節(jié)點(diǎn)板的外形往往不規(guī)則，同時(shí)，一些受動(dòng)力荷載的桁架還需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)板的疲勞，用撕裂面法推導(dǎo)出來的公式計(jì)算比較麻煩。故參照國外多數(shù)國家的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范建議對桁架節(jié)點(diǎn)板也可采用有效寬度法進(jìn)行承載力計(jì)算。 有效寬度法假定腹桿軸力Ｎ通過連接件在節(jié)點(diǎn)板內(nèi)按照應(yīng)力擴(kuò)散角度傳至連接件端部與N 相垂直的一定寬度范圍內(nèi)，稱為有效寬度be 。,假定be范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力達(dá)到fu，并令be·t·fu=

10、Nu(節(jié)點(diǎn)板破壞時(shí)的腹桿軸力)，按此法擬合的結(jié)果，當(dāng)應(yīng)力擴(kuò)散角?=270時(shí)精度最高，計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值平均為98.9%；當(dāng)?=300時(shí)，比值為106.8%，考慮到國外多數(shù)國家對應(yīng)力擴(kuò)散角均取為300，為與國際接軌且誤差較小，建議取?=300。,有效寬度法適用于腹桿與節(jié)點(diǎn)板采用側(cè)焊、圍焊、鉚釘、螺栓等多種連接情況，（采用鉚釘或螺栓連接時(shí)，be應(yīng)取為有效凈寬度）。,b.受壓節(jié)點(diǎn) 在壓力作用下，與受壓桿件相連的節(jié)點(diǎn)板區(qū)域除強(qiáng)度破壞外，還

11、有可能喪失穩(wěn)定。試驗(yàn)共作了8個(gè)受壓斜腹桿的試件，其中有、無豎腹桿的試件各4個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果有以下特點(diǎn)： ① 當(dāng)節(jié)點(diǎn)板的自由邊長度 lf 與厚度 t 之比 時(shí)（一般出現(xiàn)在無豎腹桿的節(jié)點(diǎn)板），*節(jié)點(diǎn)板穩(wěn)定性很差，此時(shí)應(yīng)沿自由邊加勁。加勁后，穩(wěn)定承載力有較大提高。,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(shí)的撕裂線類似，而且一般在

12、 區(qū)的前方首先失穩(wěn)，其它各區(qū)相繼失穩(wěn)。*,*,③ 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)板，當(dāng)時(shí)，可不驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)板的穩(wěn)定。,④對無豎腹桿的節(jié)點(diǎn)板，當(dāng) 時(shí)，節(jié)點(diǎn)板的穩(wěn)定承載力約為強(qiáng)度承載力的80%，故可將受壓腹桿的內(nèi)力乘以增大系數(shù)1.25后再按受拉節(jié)點(diǎn)板的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)

13、 時(shí)應(yīng)按規(guī)范附錄F進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。但當(dāng) 時(shí)，規(guī)范規(guī)定的計(jì)算值將大于試驗(yàn)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(diǎn)板，要求與有豎腹桿的相同。,桁架節(jié)點(diǎn)板厚度選用表 一般的鋼結(jié)構(gòu)教科書和手冊均列有“桁架節(jié)點(diǎn)板厚度選用表”，但都系互相參考，缺乏科學(xué)依據(jù)。這次該研究組先制作了N- t/b關(guān)系表（N為腹桿最大拉力；t為節(jié)點(diǎn)板厚度；b為連接肢寬度），反映了側(cè)焊縫

14、焊腳尺寸hf1、hf2的影響。同時(shí)又在上述參數(shù)組合的最不利情況下，重新整理出偏于安全的N—t表。相對來說它比以往的N—t表更符合實(shí)際。,為保證節(jié)點(diǎn)板受壓時(shí)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(diǎn)板（或自由邊有加勁的節(jié)點(diǎn)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(yīng)小于20mm”，是由于間隙過小，焊接殘余應(yīng)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5

15、0mm”；同時(shí)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(yīng)妥善處理。,隨著熱軋H型鋼在我國投產(chǎn)，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(diǎn)是：無離縫、防腐易處理、用鋼量省。 問題： （1）節(jié)點(diǎn)施工不方便； （2）節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式不同，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜，同時(shí)，對節(jié)點(diǎn)受力研究不夠，

16、故規(guī)范公式均不適用； （3）板件的局部穩(wěn)定難以滿足88規(guī)范的規(guī)定。,,軸心受壓構(gòu)件和彎矩使自由邊受拉的壓彎構(gòu)件， 對熱軋剖分T型鋼的局部穩(wěn)定： 原88規(guī)范規(guī)定的寬厚比限值： 新規(guī)范規(guī)定的寬厚比限值： 計(jì)算模型為考慮翼緣與腹板完全嵌固，取屈曲系數(shù)為1.28，不近合理，需試驗(yàn)驗(yàn)證。,（2）H型鋼重型桁架 桁架節(jié)點(diǎn)鉸接是一種近似，條件是桿件較細(xì)長，以H型鋼作弦桿或腹桿的重型桁架，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意節(jié)

17、點(diǎn)的次應(yīng)力，或按剛接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，對重要的節(jié)點(diǎn)還應(yīng)進(jìn)行有限元分析。,（3）鋼管桁架（圓管或矩形管） 鋼管桁架節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，原88規(guī)范只有直接焊接的平面桁架式圓管結(jié)構(gòu)的條文。近幾年同濟(jì)大學(xué)對圓鋼管空間桁架節(jié)點(diǎn)作了一些試驗(yàn)和分析；哈建大對直接焊接的方管桁架結(jié)構(gòu)（主管為方管，支管為方管或圓管）的節(jié)點(diǎn)作了一些試驗(yàn)和分析，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂時(shí)，其成果已部分納入。,直接焊接的平面圓鋼管節(jié)點(diǎn)a) X型節(jié)點(diǎn)；b) T型或Y型節(jié)點(diǎn)； c）K型節(jié)

18、點(diǎn),直接焊接的空間圓鋼管節(jié)點(diǎn)e ) TT型節(jié)點(diǎn)；f ) KK型節(jié)點(diǎn),XX型管節(jié)點(diǎn)： XX型管節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量較少，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合情況也不甚理想，而這種節(jié)點(diǎn)類型目前在實(shí)際應(yīng)用中較少用到，故在規(guī)范內(nèi)未予列入。,直接焊接的矩形管（含方管）平面管節(jié)點(diǎn) a) T、Y型節(jié)點(diǎn)；b) X型節(jié)點(diǎn)；c) K、N型節(jié)點(diǎn)，有間隙；d） K、N型節(jié)點(diǎn)，搭接。,管結(jié)構(gòu)的適用范圍：（1）不直接承受動(dòng)力荷載。對于承受交變荷載的直接焊接鋼管節(jié)點(diǎn)，其

19、疲勞問題遠(yuǎn)較其它型鋼桿件節(jié)點(diǎn)受力情況復(fù)雜。（2）為防止鋼管發(fā)生局部屈曲，限制鋼管的徑厚比或?qū)捄癖?； （或 ） （3）管結(jié)構(gòu)采用的管材不應(yīng)采用屈服強(qiáng)度fy超過345N/mm2以及屈強(qiáng)比fy/fu>0.8的鋼材，且鋼管壁厚不宜大于25mm。因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)外對鋼管節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究工作僅限于此范圍。,管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的失效模式 鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的管壁一般很薄，而管徑較大，在節(jié)點(diǎn)處直接焊接的鋼管節(jié)點(diǎn)

20、實(shí)際上是由幾個(gè)圓筒殼交匯在一起的一個(gè)空間薄殼結(jié)構(gòu)。理論上采用有限元方法或彈性薄殼理論進(jìn)行分析是可行的，全過程分析需考慮局部材料進(jìn)入塑性造成的材料非線形和節(jié)點(diǎn)處主管局部變形造成的幾何非線形。但目前主要依賴試驗(yàn)。圓形和矩形的管節(jié)點(diǎn)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；,（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

21、部屈曲； （6）受拉支管側(cè)主管壁的局部屈曲；,（7）有間隙的K、N形節(jié)點(diǎn)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(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生。規(guī)范針對不同破壞模式給出了節(jié)點(diǎn)承載力的計(jì)算公式及構(gòu)造要求，這些公式只有少數(shù)是理論推出的，大部分是經(jīng)驗(yàn)公式。,例如： （1）當(dāng)由支管與主管間連接焊縫的破壞控制時(shí)，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(jìn)行計(jì)算，但取?f＝1。角焊縫的計(jì)算厚度沿支管周長

22、是變化的，當(dāng)支管軸心受力時(shí)，平均計(jì)算厚度可取0.7hf。,焊縫的長度實(shí)際上是支管與主管相交線長度，主、支管均為圓管的節(jié)點(diǎn)焊縫傳力較為均勻，焊縫的計(jì)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(dāng)di/d≤0.65時(shí)： lw＝(3.25di－0.025d)(＋0.466) 當(dāng)di/d>0.65時(shí)： lw＝(3.81di－0.389d)(＋0.466) 式中 d、di─分別為主管和支管外徑；

23、 ?i─支管軸線與主管軸線的夾角。,（2）當(dāng)由主管壁塑性鉸線的失效模式控制時(shí)，對X形節(jié)點(diǎn)，受壓支管在管節(jié)點(diǎn)處的承載力設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：式中 ?n─參數(shù)；?n＝1-0.3 -0.3( )2；當(dāng)節(jié)點(diǎn)兩 側(cè)或一側(cè)主管受拉時(shí)，?n＝1。 t─主管壁厚； ?─支管軸線與主管軸線之夾角； f─主

24、管鋼材抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； fy─主管鋼材的屈服強(qiáng)度； ?─節(jié)點(diǎn)兩側(cè)主管較小軸心壓應(yīng)力的絕對值。,2 框架結(jié)構(gòu)體系 與梁式結(jié)構(gòu)體系相比，框架式體系比較經(jīng)濟(jì)，且橫梁高度可以取得比梁式結(jié)構(gòu)的高度小，剛度也較大，常用于工業(yè)建筑。 框架柱柱腳可以作成鉸接，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(chǔ)及地基的要求較高。 主要有實(shí)腹式和格

25、構(gòu)式兩大類。,,,（1）實(shí)腹式框架結(jié)構(gòu)體系 實(shí)腹式框架適用于跨度不太大（L=18～60m）的框架結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是制作簡單、便于運(yùn)輸，還能降低房屋高度。實(shí)腹框架常設(shè)計(jì)成鉸接柱腳。 由于框架支座彎矩的卸載作用使實(shí)腹框架的橫梁高度不大，可取跨度的1/30～1/40。 在我國得到大力發(fā)展的輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，是實(shí)腹式框架結(jié)構(gòu)體系的一種，其特點(diǎn)是屋蓋及墻體均采用壓型鋼板，結(jié)構(gòu)主要承受自身的重量。,輕型門式剛

26、架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 門式剛架是一種有效利用材料的結(jié)構(gòu)形式。由于構(gòu)件尺寸小，房屋高度相應(yīng)降低，減輕了建筑體積和重量。構(gòu)件可以在工廠批量生產(chǎn)，工地安裝用高強(qiáng)螺栓連接，簡便而迅速，施工期短。同時(shí)，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。,1 建筑特點(diǎn)（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(jí)別的橋式吊車

27、 ? 20t； 懸掛式起重機(jī) ? 3t。（3）常用跨度：18 ? 30m，高度4.5 ~ 9m。規(guī)程規(guī)定跨度可作到36m。,2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1）主體結(jié)構(gòu)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。,（2）采用變化構(gòu)件截面的手段以適應(yīng)彎矩變化是門式剛架輕型化的技術(shù)措施之一。柱腳常用鉸接，（當(dāng)有橋式吊車時(shí)用等截面、柱腳固定）。,（3

28、）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。 溫度區(qū)段長度： 縱向 ? 300m； 橫向 ? 150m 。 當(dāng)不超過以上數(shù)值時(shí)，一般情況下可不考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響。 柱間支撐的縱向水平剛度較單獨(dú)柱大得多（約10～20倍），故廠房縱向溫度變形的不動(dòng)點(diǎn)接近于柱間支撐的中點(diǎn)（有兩道柱間支撐時(shí)，為兩支撐距離的中點(diǎn)）。,新規(guī)范增加：“當(dāng)有計(jì)

29、算依據(jù)時(shí)，溫度區(qū)段長度可適當(dāng)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(shè)計(jì)人員根據(jù)具體情況考慮增減。 當(dāng)溫度區(qū)段長度超過規(guī)范規(guī)定的數(shù)值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度應(yīng)力的計(jì)算或設(shè)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； b. 設(shè)置雙柱。 此外，吊車梁與柱的連接宜采用長圓孔。,（4）剛架斜梁的坡度取決于屋面排水

30、坡度，一般i=1/8~1/20。 減小構(gòu)件腹板厚度，一般腹板壁厚在4 ~ 10mm，（4mm是規(guī)程規(guī)定的下限），主要利用腹板截面的屈曲后強(qiáng)度。 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102：2002 推薦采用Q235、Q345鋼材。,（5）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(shí)，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

31、家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002 已取消了壁厚6mm上限的規(guī)定，板厚由設(shè)計(jì)者自行掌握（未試驗(yàn)），我國目前已能生產(chǎn)12.5mm厚的冷彎薄壁型鋼。,（6）支撐體系： 必須設(shè)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(shí)第一開間設(shè)剛性系桿）。 柱間支撐設(shè)在與屋蓋支撐相同的柱間，無吊車時(shí)，間距一般30~ 45m，不大于60m。有吊車時(shí)柱間支撐宜設(shè)在溫度區(qū)段中部。,支撐一般為

32、十字交叉，截面采用張緊的圓鋼或小角鋼 。,3 荷載計(jì)算的特點(diǎn) （1）新修訂的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將不上人的屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值統(tǒng)一規(guī)定為0.5kN/m2（原規(guī)范分0.3、0.5、0.7kN/m2三級(jí)）。 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(shè)計(jì)法后發(fā)現(xiàn)對以恒載為主的結(jié)構(gòu)（混凝土結(jié)構(gòu)）可靠度下降，故又提高到0.7kN/m2。,

33、新修訂的荷載規(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(fù)到0.5kN/m2。但注明“對不同結(jié)構(gòu)可按有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范作0.2kN/m2的增減”。新修訂的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“對支承輕屋面的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，當(dāng)僅有一個(gè)可變荷載且受荷面積超過60m2時(shí)，取0.3kN/m2 ” 。這與原《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定有所不同，應(yīng)注意檁條的計(jì)算。,（2）《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CE

34、CS 102：2002 對風(fēng)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(yīng)注意房屋端區(qū)的風(fēng)荷載體型系數(shù)不同于中間區(qū)。,,4 檁條的設(shè)計(jì)特點(diǎn) （1）檁條為薄壁構(gòu)件，在受力狀態(tài)其組成板件可能喪失局部穩(wěn)定而產(chǎn)生屈曲，但屈曲后仍能承載（利用薄膜效應(yīng)，即張力場）。設(shè)計(jì)中利用其屈曲后強(qiáng)度，一般采用有效截面的方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 （2）檁條的整體穩(wěn)定計(jì)算分為兩種情況： a. 風(fēng)壓

35、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(shè)置的檁間拉條能起側(cè)向約束作用。,b. 在風(fēng)吸力作用下，下翼緣受壓（連續(xù)設(shè)置的檁條在風(fēng)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(rèn)為可按彈性地基梁的壓桿計(jì)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(zhuǎn)和側(cè)向彎曲效應(yīng)等效轉(zhuǎn)化為作用于下翼緣的側(cè)向荷載，以簡化計(jì)算。 也可采用構(gòu)造要求，如設(shè)置隅撐。,檁條的構(gòu)造處理——加隅撐*,5 構(gòu)件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

36、 （1）斜梁軸力較大，一般按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，須滿足強(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，但最大高厚比不宜大于250。 工字形截面構(gòu)件腹板考慮屈曲后強(qiáng)度的設(shè)計(jì)特點(diǎn)： （a）條款不適用于吊車梁，因有關(guān)資料不充分，多次反復(fù)屈曲可能導(dǎo)致腹板邊緣出現(xiàn)疲勞裂紋。,,（b）腹板受剪屈曲后的強(qiáng)度計(jì)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(fù)雜，為簡化計(jì)算采用

37、了相當(dāng)于下限的近似公式。 （c）利用腹板屈曲后強(qiáng)度，即使hw/tw很大，只要腹板的抗剪承載力不低于構(gòu)件的實(shí)際最大剪力，一般不再考慮設(shè)置加勁肋。,（d）利用腹板屈曲后強(qiáng)度后，構(gòu)件的抗彎及抗壓承載力有所降低，此時(shí)應(yīng)按有效寬度計(jì)算截面特性，受壓區(qū)的有效寬度取:,當(dāng)截面全部受壓時(shí)：he=?hw 當(dāng)截面部分受拉時(shí)：he=?hc,有效寬度系數(shù)?，與板件局部穩(wěn)定的臨界應(yīng)力有關(guān)， ?以通用高厚比

38、 作為參數(shù)，分為三個(gè)階段，完全彈性、完全塑性及彈塑性，即：當(dāng) 時(shí)， (a)當(dāng) (b)當(dāng)

39、 (c),(e) 腹板屈曲后的抗剪承載力Vd，應(yīng)為屈曲剪力與張力場剪力之和，用下列公式計(jì)算：當(dāng)λw? 0.8時(shí) Vd=hwtwfv (a)當(dāng)0.8<λw<1.4時(shí)： Vd=hwtwfv[1-0.64(λw-0.8)] (b)當(dāng)λw?1.4時(shí)： Vd=hwtwfv(1-0.275λw ) (c)式中 λw——用于

40、抗剪計(jì)算的腹板通用高厚比。,（f）工字形截面受彎構(gòu)件在剪力和彎矩作用下的強(qiáng)度，借用了歐洲規(guī)范EC3的基本計(jì)算式：當(dāng)V ?0.5 Vd時(shí), M?Me (a)當(dāng)0.5Vd<V ? Vd時(shí), (b)Mf —梁兩翼緣所承

41、擔(dān)的彎矩，對雙軸對稱截面梁 Mf=Af( hw·+t)f（Af為一個(gè)翼緣截面積）；Me—構(gòu)件有效截面所承擔(dān)的彎矩，Me=We f 。,（g）工字形截面壓彎構(gòu)件在剪力、彎矩和軸力共同作用下的強(qiáng)度，采用以下基本計(jì)算式：當(dāng)V?0.5 Vd時(shí), M?Me -N We/ Ae (a)當(dāng)0.5Vd?V < Vd時(shí),

42、 (b) —兼受壓力時(shí)梁兩翼緣所承擔(dān)的彎矩，對雙軸 對稱截面梁， =Af ( hw·+t)(f - N/A )；Ae —構(gòu)件的有效截面面積。,,（h）考慮腹板屈曲后強(qiáng)度的加勁肋設(shè)計(jì) 梁腹板利用屈曲后強(qiáng)度時(shí)，其中間加勁肋除承受集中荷載和翼緣轉(zhuǎn)折外，還承受張力場產(chǎn)生的壓力，該壓力按下式計(jì)算：Ｎs=V - 0.9h

43、wtw?cr 式中，Ｎs為腹板屈曲后張力場產(chǎn)生的壓力；?cr為臨界剪應(yīng)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。,（2）當(dāng)采用變截面門式剛架時(shí)，剛架柱為楔形，其在剛架平面內(nèi)的計(jì)算長度系數(shù)、不能再套用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，*規(guī)程另有特殊規(guī)定。 變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計(jì)算公式仍借用了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)移剛架取1.0。 *,等截面剛架柱的計(jì)算

44、長度*,（3）搖擺柱失穩(wěn)時(shí)，其撓曲線類似于兩端鉸接的歐拉柱，因此計(jì)算長度取1.0 。 （4）連于剛架的搖擺柱，屈曲時(shí)對剛架產(chǎn)生水平力，使剛架柱的臨界力降低，故剛架柱的計(jì)算長度應(yīng)乘以增大系數(shù)：,,,?,,,6 變形控制 適當(dāng)放寬框架梁的撓度及框架柱柱頂位移的限值，是門式剛架輕型化的一項(xiàng)保證。如： 剛架柱頂位移限值 無吊車、采用輕形墻板 h/60（h/150）

45、 無吊車、采用砌體墻 h/100（h/150） 有吊車、吊車有駕駛室 h/400 有吊車、地面操作 h/180（h/400） 框架斜梁撓度 L/180（ L/400）,7 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) （1）門式剛架結(jié)構(gòu)一般在梁柱節(jié)點(diǎn)及框架梁的跨中劃分運(yùn)送和安裝單元。 門式剛架斜梁與柱的連接可采用端板豎放、端板橫放和端板斜放三種形式。 （2）為

46、保證節(jié)點(diǎn)的剛度，節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用摩擦型或承壓型高強(qiáng)度螺栓連接，一般成對布置。,梁與柱的剛性連接節(jié)點(diǎn),,（3）用高強(qiáng)度螺栓連接的端板，為減小杠桿力的影響，其厚度不宜太薄，一般可取1.5~2d，或設(shè)置加勁肋。,（4）連接按承受的最大內(nèi)力設(shè)計(jì)。斜梁與柱相交的節(jié)點(diǎn)域，應(yīng)驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度。,柱翼緣和橫向加勁肋為邊界的節(jié)點(diǎn)腹板區(qū)域所受的剪應(yīng)力應(yīng)滿足下式要求:,公式來源于設(shè)置柱橫向加勁肋時(shí)鋼框架節(jié)點(diǎn)柱腹板節(jié)點(diǎn)域的抗剪強(qiáng)度計(jì)算。 柱節(jié)點(diǎn)腹板區(qū)域所受的剪力:

47、 或 兩式等價(jià)，取其一。 節(jié)點(diǎn)域周邊的內(nèi)力,,剪應(yīng)力應(yīng)滿足下式要求： 規(guī)范規(guī)定的計(jì)算式在上式的基礎(chǔ)上加以了調(diào)整和簡化。 a.節(jié)點(diǎn)域的周邊有柱翼緣和加勁肋提供的約束，使抗剪承載力大大提高，故將節(jié)點(diǎn)域抗剪強(qiáng)度提

48、高到 。,b.節(jié)點(diǎn)域中彎矩的影響較大，剪力的影響較小。略去剪力項(xiàng)使算得的結(jié)果偏于安全20%?30%，但公式?jīng)]有包括柱腹板軸壓力設(shè)計(jì)值N對抗剪強(qiáng)度的不利影響，一般N與其屈服承載力Ny之比<0.5，則軸壓力對抗剪強(qiáng)度不利影響系數(shù)為 ， 與略去剪應(yīng)力有利影響相互抵消而略偏安全。 因此，公式即成為 式中的hbhctw=Vp稱為節(jié)點(diǎn)域的體積。,當(dāng)節(jié)點(diǎn)域計(jì)算不滿足要求時(shí)，應(yīng)加厚腹板或

49、設(shè)置斜加勁肋。,（5）門式剛架的柱腳構(gòu)造,,（2）格構(gòu)式框架結(jié)構(gòu)體系 當(dāng)跨度大于60m時(shí)，實(shí)腹式框架不太經(jīng)濟(jì)，此時(shí)可采用格構(gòu)式，最大可做到150m。 通常設(shè)計(jì)成變截面，框架橫梁的高跨比在1/12～1/20范圍內(nèi)選取。 內(nèi)力及變形的計(jì)算 當(dāng)跨度不大時(shí)，格構(gòu)式普通框架可以取換算剛度，折算成與其等效的實(shí)腹框架求解內(nèi)力。當(dāng)跨度較大時(shí)，必須考慮全部腹桿的變形進(jìn)行計(jì)算。,框架橫梁的撓度只需計(jì)算由可變荷載引起的，永久荷載產(chǎn)生的撓

50、度可由結(jié)構(gòu)的起拱來消除。當(dāng)跨度大于50m且剛性柱（支座）不高時(shí)，須計(jì)入框架的溫度應(yīng)力。實(shí)腹框架的橫梁與柱一般設(shè)計(jì)成焊接工字型截面，其承載能力按壓彎構(gòu)件計(jì)算。兩鉸框架中的框架柱可以作成沿高度變截面的形式，這樣能充分利用截面強(qiáng)度，減輕結(jié)構(gòu)自重。,,構(gòu)造特點(diǎn) a. 框架負(fù)彎矩處下翼緣為防止平面外失穩(wěn)，應(yīng)加設(shè)斜撐。* b. 在雙鉸框架結(jié)構(gòu)中，為減小橫梁中部的彎矩，可采用圖中使橫梁卸載的做法。,,c. 截面受力較小時(shí)可采用雙

51、角鋼組合T形截面、T型鋼截面；受力較大時(shí)可采用槽鋼或工字鋼截面。 d. 因格構(gòu)式框架受力較大，框架橫梁與柱轉(zhuǎn)角處比較合理的構(gòu)造是在轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)做成實(shí)腹式并加加勁桿。,,（3）拱式結(jié)構(gòu)體系 拱式結(jié)構(gòu)外形美觀，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力與建筑造型的完美結(jié)合，是大跨度鋼結(jié)構(gòu)中一種重要的形式。,,拱的特點(diǎn) （1）拱身主要承受軸力，當(dāng)跨度較大（如超過80~100m）時(shí)，較梁式結(jié)構(gòu)和框架式結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)。

52、 （2）形式有兩鉸拱、三鉸拱和無鉸拱。使用最多的是雙鉸拱，優(yōu)點(diǎn)是安裝和制造較簡單，鉸處可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，溫度應(yīng)力也較低。無鉸拱跨中彎矩分布最有利，但需要較強(qiáng)的基礎(chǔ)，溫度應(yīng)力也較大。,雙鉸拱 三鉸拱 無鉸拱,（3）拱的水平推力較大，對支座的要求較高。為減輕水平推力，可設(shè)置水平拉桿或采用橡膠支座。 在加蓋的體育場

53、、展覽館以及飛機(jī)庫里，拱的支座常常是房屋的墻體、看臺(tái)等。沒有橫墻或看臺(tái)的情況下則要求設(shè)置拱扶壁以承受拱的水平推力。 （4）拱截面分實(shí)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(shí)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。,拱的設(shè)計(jì) （1）拱軸線的形狀應(yīng)盡可能選擇與壓力曲線接近。對稱并沿拱弦線均布的荷載

54、起主要作用時(shí)，宜采用二次拋物線（與彎矩圖接近）。為簡化拱的設(shè)計(jì)與制造，也可用圓弧代替，對扁平拱不會(huì)引起內(nèi)力實(shí)質(zhì)性的變化。對于自重很大的高拱，宜采用懸鏈線外形。在風(fēng)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。,（2）風(fēng)荷載是拱結(jié)構(gòu)計(jì)算中一項(xiàng)非常重要的荷載，特別應(yīng)注意風(fēng)吸力對拱結(jié)構(gòu)的影響，還應(yīng)考慮側(cè)風(fēng)壓或端風(fēng)壓作用在建筑物上的情況。 （3）平面的拱式結(jié)構(gòu)為一受壓曲桿，應(yīng)按壓彎桿件設(shè)計(jì)，拱在彎矩作用平面內(nèi)

55、需要驗(yàn)算強(qiáng)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(shí)還沒有曲桿計(jì)算長度取值的規(guī)定。拱的計(jì)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(guān),（4）拱在彎矩作用平面外的剛度如果與平面內(nèi)相差很大，受壓時(shí)容易產(chǎn)生平面外的失穩(wěn)，應(yīng)利用沿房屋長度方向設(shè)置的橫向支撐系統(tǒng)及檁條體系作為平面外的支撐點(diǎn)。同時(shí)，還應(yīng)按壓彎桿件驗(yàn)算平面外的穩(wěn)定。 （5）拱的支座鉸可以有不同的形式。,

56、拱腳的構(gòu)造,（6）三鉸拱中的拱頂鉸是構(gòu)造設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，格構(gòu)式拱在支座鉸和拱頂鉸的部位，其截面需改變?yōu)閷?shí)腹式，同時(shí)還需設(shè)置適當(dāng)?shù)募觿爬撸詡鬟f較大的集中反力。,重慶市武警總隊(duì)訓(xùn)練場（跨度61.4m）,重慶出口加工區(qū)卡口,壓型鋼板波紋拱屋蓋也是拱式結(jié)構(gòu)的一種，最大跨度可做到60m，造價(jià)極低，且施工速度快。缺點(diǎn)是隔熱保溫效果差，在不對稱荷載和集中荷載作用下宜喪失整體穩(wěn)定。,達(dá)州市體育場效果圖,達(dá)州市體育場看臺(tái)挑棚采用了在節(jié)點(diǎn)處相貫連

57、接的圓鋼管空間桁架結(jié)構(gòu)，拱頂為覆蓋的膜結(jié)構(gòu)。 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。,主、次拱均采用鋼管桁架,,,主、次拱截面形狀,由于屋面采用膜結(jié)構(gòu)，自重較輕，內(nèi)力計(jì)算中風(fēng)荷載起控制作用。 同時(shí)由于結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，對風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值很難套用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，因而對風(fēng)荷載的計(jì)算考慮了幾種不同的情況