鋼結結構構普通高高等學學校土土建學學科專專業““十一一五””規劃劃教材材下冊房房屋屋鋼結結構設設計陳紹蕃蕃主主編編中國建建筑工工業出出版社社第3章大大跨屋屋蓋結結構第3章大大跨屋屋蓋結結構大跨屋屋蓋結結構體體系網架的的形式式網架計計算要要點網架的的設計計主要內內容：：重點：：網架的的形式式網架的的設計計（桿桿件和和節點點）第3章大大跨屋屋蓋結結構3.1結構形形式平面結結構體體系梁式結結構（（平面面桁架架、空空間桁桁架）），平平面剛剛架和和拱式式結構構空間結結構體體系平板網網架結結構，，網殼殼結構構，懸懸索結結構，，斜拉拉結構構，張張拉整整體結結構等等剛架結構構第3章大跨跨屋蓋結結構第3章大跨跨屋蓋結結構3.2網架的形形式按弦桿層層數不同同可分為為雙層網網架和三三層網架架

(a)(b)

上弦

腹桿

下弦

下弦中弦

上腹桿

下腹桿

上弦第3章大跨跨屋蓋結結構網架結構構幾何不不變的必必要條件件：W=3J-m-r≤0幾何可變變體系的的判斷斷：[K]中對角線線上出現現零元素素|K|=03.2.1網架結構構的幾何何不變性性分析第3章大跨跨屋蓋結結構平面桁架架系網架架兩向正交交正放網網架兩向正交交斜放網網架三向網架架3.2.2雙層網架架常用的的形式特點：由平面桁桁架相互互交叉所所組成，，其上、、下弦桿桿長度相相等，桿桿件類型型少，且且上、下下弦桿和和腹桿在在同一平平面內。。一般應應使斜腹腹桿受拉拉，豎桿桿受壓。。斜腹桿桿與弦桿桿間的夾夾角宜在在40°～60°之間第3章大跨跨屋蓋結結構兩向正交交正放網網架兩向正交交正方由兩組分分別與邊邊界平行行的平面面桁架互互成90°交叉組成成。同一一方向的的各平面面桁架長長度一致致第3章大跨跨屋蓋結結構兩向正交交斜放網網架兩向正交交斜放短桁架對對長桁架架有嵌固固作用，，受力有有利。角角部產生生拔力，，常取無無角部形形式。比比正交正正放網架架空間剛剛度大，，受力均均勻，用用鋼省。。適用于于建筑平平面為矩矩形的情情況。第3章大跨跨屋蓋結結構兩向正交交斜放網網架兩向正交交斜放幾何不變變體系，，網架空空間剛度度大，受受力性能能好，內內力分布布也較均均勻。桿桿件數量量多，節節點構造造比較復復雜。三三向網架架適用于于大跨度度且建筑筑平面為為三角形形、六邊邊形、多多邊形和和圓形的的情況。。第3章大跨跨屋蓋結結構四角錐體體系網架架正放四角角錐網架架正放抽空空四角錐錐網架棋盤形四四角錐網網架斜放四角角錐網架架星形四角角錐網架架第3章大跨跨屋蓋結結構正放四角角錐網架架正放四角角錐網架架桿件受力力較均勻勻，空間間剛度比比其它類類型的四四角錐網網架及兩兩向網架架好。適適用于建建筑平面面接近正正方形的的周邊支支承及點點支承情情況。第3章大跨跨屋蓋結結構正放抽空空四角錐錐網架兩向正交交斜放周邊網格格錐體不不動外，，跳格地地抽掉一一些四角角錐單元元中的腹腹桿和下下弦桿，，使下弦弦網格尺尺寸擴大大一倍。。適用于于中、小小跨度或或屋面荷荷載較輕輕的周邊邊支承、、點支承承以及周周邊支承承與點支支承結合合的網架架。第3章大跨跨屋蓋結結構棋盤形四四角錐網網架棋盤形四四角錐網網架正放四角角錐網架架周邊四四角錐不不變，中中間四角角錐間隔隔抽空，，下弦桿桿呈正交交斜放，，上弦桿桿呈正交交正放。。克服了了斜放四四角錐網網架屋面面板類型型多，屋屋面組織織排水較較困難的的缺點。。適用于于中、小小跨度周周邊支承承方形或或接近方方形平面面的網架架。第3章大跨跨屋蓋結結構斜放四角角錐網架架斜放四角角錐網架架受力合理理，桿件件數量少少，屋面面板類型型多，屋屋面組織織排水較較困難。。適用于于中、小小跨度周周邊支承承，或周周邊支承承與點支支承相結結合的矩矩形平面面情況。。第3章大跨跨屋蓋結結構星形四角角錐網架架星形四角角錐網架架將四角錐錐底面的的四桿換換為十字字交叉桿桿,并加中豎豎桿形成成。適用用于中、、小跨度度周邊支支承方形形或接近近方形平平面的網網架。第3章大跨跨屋蓋結結構三角錐體體系網架架三角錐網網架抽空三角角錐網架架蜂窩形三三角錐網網架第3章大跨跨屋蓋結結構三角錐網網架三角錐網網架上、下弦弦平面均均為三角角形網格格。桿件件受力均均勻，本本身為幾幾何不變變體，整整體抗扭扭、抗彎彎剛度好好。適用用于大中中跨度及及重屋蓋蓋建筑物物，當建建筑平面面為三角角形、六六邊形和和圓形時時最為適適宜。第3章大跨屋蓋蓋結構抽空三角錐網網架抽空三角錐網網架抽去部分三角角錐單元的腹腹桿和下弦桿桿。下弦桿內內力較大，用用鋼量省，但但空間剛度較較三角錐網架架小。適用于于中、小跨度度的三角形、、六邊形和圓圓形等平面的的建筑。第3章大跨屋蓋蓋結構蜂窩形三角錐錐網架蜂窩形三角錐錐網架上弦為正三角角形和正六邊邊形網格，下下弦為正六邊邊形網格。本本身幾何可變變。其上弦桿桿短，下弦桿桿長，受力合合理。適用于于中、小跨度度周邊支承的的情況，可用用于六邊形、、圓形或矩形形平面。第3章大跨屋蓋蓋結構大跨度為60m以上中跨度為30～60m小跨度為30m以下3.2.3網架選型根據建筑平面面形狀和跨度度大小，支承承方式、荷載載大小、屋面面構造和材料料、制作安裝裝方法等因素素。《網架結構設計計與施工規程程》JGJ7-91第3章大跨屋蓋蓋結構網架結構的支支承周邊支承點支承周邊支承與點點支承相結合合兩邊和三邊支支承等第3章大跨屋蓋蓋結構網架結構的支支承周邊支承第3章大跨屋蓋蓋結構網架結構的支支承點支承第3章大跨屋蓋蓋結構網架結構的支支承周邊支承和點點支承結合第3章大跨屋蓋蓋結構網架高度及網網格尺寸：網架的高度與與屋面荷載、、跨度、平面面形狀、支承承條件及設備備管道等因素素有關。第3章大跨屋蓋蓋結構網架的撓度要要求及屋面排排水坡度用小立柱起拱網架屋面找坡坡找坡立柱容許撓度：用用作屋蓋—L2/250，用作樓蓋—L2/300排水坡度：3%～5%起拱要求：L2/300第3章大跨屋蓋蓋結構3.3網架的計算要要點滿足《網架結構設計計與施工規程程》JGJ7-91的規定對使用階段荷荷載作用下的的內力和位移移進行計算，，并應根據具具體情況對地地震作用、溫溫度變化、支支座沉降等間間接作用及施施工安裝荷載載引起的內力力和位移進行行計算。永久荷載：①①網架自重；；②屋面（或或樓面）材料料重力；③吊吊頂材料的重重力；④設備備管道的重力力。3.3.1直接作用（荷荷載）和間接接作用第3章大跨屋蓋蓋結構可變荷載：活活荷載、雪荷荷載、積灰荷荷載、風荷載載及吊車荷載載抗震驗算：豎向抗震驗算算：設防烈度度為8度或9度的地區，周周邊支承及多多點支承和周周邊支承相結結合的網架屋屋蓋水平抗震驗算算：在抗震設設防烈度為8度的地區，對對于周邊支承承的中小跨度度網架可不進進行水平抗震震驗算；在抗抗震設防烈度度為9度的地區，對對各種網架結結構均應進行行水平抗震驗驗算第3章大跨屋蓋蓋結構溫度內力：不不計算的條件件①支座節點的的構造允許網網架側移，且且側移值不小小于下式的計計算值；②周邊支承的的網架，當網網架驗算方向向跨度小于40m，且支承結構構為獨立柱或或磚壁柱；③在單位力作作用下，柱頂頂位移大于或或等于下式的的計算值第3章大跨屋蓋蓋結構荷載及荷載效效應組合：：對非抗震設計計，《建筑結構荷載載規范》GB50009；對抗震設計，，《建筑抗震設計計規范》GB50011需要計算溫度度應力時，采采用空間桁架架位移法，或或近似計算方方法：第3章大跨屋蓋蓋結構空間桁架位移移法（空間桿桿系有限元法法）交叉梁系差分分法是一種簡簡化計算方法法擬夾層板法是是又一種簡化化計算方法假想彎矩法也也屬簡化計算算方法3.3.2網架內力分析析方法按彈性階段計計算第3章大跨屋蓋蓋結構3.4空間桿系有限限元法方法介紹：以網架的桿件件為基本單元元，以節點位位移為基本未未知量。先由由桿件內力與與節點位移之之間的關系建建立單元剛度度矩陣，然后后根據各節點點平衡及變形形協調條件建建立結構的節節點荷載和節節點位移間關關系，形成結結構總剛度矩矩陣和總剛度度方程。總剛剛度方程是以以節點位移為為未知量的線線性方程組。。引入邊界條條件后，求解解出各節點位位移值。最后后由桿件單元元內力與節點點位移間關系系求出桿件內內力。第3章大跨屋蓋蓋結構網架的節點為為空間鉸接節節點，桿件只只承受軸力；；結構材料為完完全彈性，在在荷載作用下下網架變形很很小，符合小小變形理論。3.4.1基本假定第3章大跨屋蓋蓋結構單元剛度矩陣陣空間桿系有限限單元：每個個桿6個自由度3.4.2空間桿系有限限元法要點對應6個桿端力它們之間的關關系是第3章大跨屋蓋蓋結構式中即單元剛度矩矩陣。和結構構力學的矩陣陣位移法一致致，只是相應應于剪力的各各項均為零第3章大跨屋蓋蓋結構坐標轉換桿單元在整體體坐標系中的的位置第3章大跨屋蓋蓋結構坐標轉換矩陣陣[T]為第3章大跨屋蓋蓋結構結構總剛度矩矩陣及總剛度度方程結構總剛矩陣陣中邊界條件件的處理方法法位移為零：劃劃行劃列法和和乘大數法。。.彈性約束：將將彈簧剛度K0疊加到總剛矩矩陣中對應的的主對角元上上。指定位移：主主對角元和右右端項乘以大大數R第3章大跨屋蓋蓋結構網架的邊界條條件及對稱性性利用當網架結構（（包括支座））和外荷載有有n個對稱面時，，可利用對稱稱條件只分析析網架的1/(2n)。對稱面內各桿桿件的截面積積應取原截面面面積的一半半，n個對稱面交線線上的中心豎豎桿，其截面面面積應取原原截面面積的的1/(2n)。在對稱荷載載作用下，對對稱面內網架架節點的反對對稱位移為零零；在反對稱稱荷載作用下下，對稱面內內網架節點的的對稱位移應應取為零。第3章大跨屋蓋蓋結構結構斜邊界處處理根據邊界點的的位移情況設設置具有一定定截面積的附附加桿對斜邊界上的的節點位移做做坐標變換桿件內力展開為第3章大跨屋蓋蓋結構計算簡圖，對對節點和桿件件進行編號；；計算桿件單元元長度及桿件件與整體坐標標軸夾角余弦弦；初選各桿的截截面積；建立局部和整整體坐標系下下的單元剛度度矩陣；集合總剛矩陣陣，采用變帶帶寬一維存貯貯方式；建立荷載列陣陣；引入邊界條件件對總剛度方方程進行處理理；求解總剛度方方程，得出各各節點位移值值；根據節點位移移計算桿件內內力；按桿件內力調調整桿件截面面，并重新計計算，迭代次次數宜不超過過4～5次。3.4.3空間桿系有限限元法計算步步驟第3章大跨屋蓋蓋結構3.5網架桿件設計計截面鋼管、熱軋型型鋼和冷彎薄薄壁型鋼計算長度（l為桿件幾何長長度）桿件節點螺栓球焊接空心球板節點弦桿及支座腹桿l0.9ll其它腹桿l0.8l0.8l網架桿間計算算長度l0第3章大跨屋蓋蓋結構容許長細比（1）受壓桿件：：[]=180（2）受拉桿件：：一般桿件---------------[]=400支座附近處桿桿件---------[]=300直接承受動力力荷載桿件---[]=250第3章大跨屋蓋蓋結構3.5節點設計形式：焊接空心球節節點(P.121,圖3-30)螺栓球節點(P.123,圖3-34)焊接鋼板節點點(P.128,圖3-43)焊接鋼管節點點(P.120,圖3-28)桿件直接匯交交節點(P.120,圖3-29)第3章大跨屋蓋蓋結構D＝（d1＋d2＋2a）/θ3.6.1焊接空心球節節點空心球節點桿桿件間縫隙第3章大跨屋蓋蓋結構焊接空心球節節點構造第3章大跨屋蓋蓋結構焊接空心球節節點構造第3章大跨屋蓋蓋結構3.6.2螺栓球節點螺栓球連接節節點圖示第3章大跨屋蓋蓋結構鋼球尺寸螺栓不碰要求求：套筒接觸面要要求：鋼球直徑取式式以上兩式的的較大值。第3章大跨屋蓋蓋結構當相鄰兩桿夾夾角θ＜30°時，還要保證證相鄰兩根桿桿件（管端為為封板）不相相碰要求：第3章大跨屋蓋蓋結構螺栓尺寸第3章大跨屋蓋蓋結構3.6.3焊接鋼板節點點焊接鋼板節點點第3章大跨屋蓋蓋結構3.6.4支座節點角位移受到很很大的約束，，只適用于較較小跨度網架架平板壓力或拉拉力支座第3章大跨屋蓋蓋結構角位移未受約約束，適用于于中小跨度網網架單面弧形壓力力支座第3章大跨屋蓋蓋結構適用于較大跨跨度網架。在在承受拉力的的錨栓附近應應設加勁肋以以增強節點剛剛度單面弧形拉力力支座第3章大跨屋蓋蓋結構支座和底板間間設有弧形塊塊，上下面都都是柱面，支支座既可轉動動又可平移雙面弧形拉力力支座第3章大跨屋蓋蓋結構只能轉動而不不能平移，適適用于多支點點支承的大跨跨度網架球鉸壓力支支座第3章大跨屋屋蓋結構通過橡膠墊墊的壓縮和和剪切變形形，支座既既可轉動又又可平移。。如果在一一個方向加加限制，支支座為單向向可側移式式，否則為為兩向可