《大跨屋盖结构》PPT课件

大跨屋盖结构 济南大学济南大学 土木建筑学院土木建筑学院主要内容主要内容3.1 3.1 结构形式结构形式 梁式结构（平面桁架、空间桁架），平面刚架和拱式结构 平板网架结构，网壳结构，悬索结构，斜拉结构，张拉整体结构等 3.2 3.2 网架的形式网架的形式按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架 3.2.1 网架结构的几何不变性分析网架结构的几何不变性分析网架结构几何不变的必要条件：网架结构几何不变的必要条件：W=3J-m-r0 (3-1)几何可变体系的判断：几何可变体系的判断：引入边界条件后，引入边界条件后，K中对角线上出现零元素，中对角线上出现零元素，与之对应的节点自由度几何可变；与之对应的节点自由度几何可变；引入边界条件后，引入边界条件后，|K|=0，结构几何可变。，结构几何可变。3.2.2 双层网架的常用形式双层网架的常用形式 3.2.2.1 两向正交正放网架 两向正交斜放、斜交斜放网架 三向网架 特点：特点：由平面桁架相互交叉所组成，其上、下弦杆长度相等，杆件类型少，且上、下弦杆和腹杆在同一平面内。一般应使斜腹杆受拉，竖杆受压。斜腹杆与弦杆间的夹角宜在4060之间。由两组分别与边界平行的平面桁架互成90交叉组成。同一方向的各平面桁架长度一致。网架本身属几何可变体系。适用于建筑平面为正方形或接近正方形且跨度较小的情况。两个方向的杆件内力差别不大，受力较均匀。短桁架对长桁架有支承作用，受力有利。角部产生拔力，常取避开角支点形式。比正交正放网架空间刚度大，受力均匀，用钢省。适用于建筑平面为矩形的情况。特点：几何不变体系，网架空间刚度大，受力性能好，内力分布也较均匀。杆件数量多，节点构造比较复杂。三向网架适用于且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形的情况。3.2.2.2 四角锥体系网架 杆件受力较均匀，空间刚度比其它类型的四角锥网架及两向网架好。杆件数较多，用钢量偏大。适用于建筑平面接近正方形的周边支承及点支承情况。周边网格锥体不动外，跳格地抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸扩大一倍。用钢量减小，但刚度较弱。适用于中、小跨度或屋面荷载较轻的周边支承、点支承以及周边支承与点支承结合的网架。两个方向的网格宜取奇数。正放四角锥网架周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。上弦杆短、下弦杆长，受力合理，杆件数量少。适用于中、小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩形平面情况。由两个倒置的三角形小桁架相互正交单元组成。上弦杆短，受力合理。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。3.2.2.3 三角锥体系网架 上、下弦平面均为三角形网格。杆件受力均匀，本身为几何不变体，整体抗扭、抗弯刚度好。用于大中跨度及重屋盖建筑物，当建筑平面为三角形、六边形和圆形时最适宜。抽去部分三角锥单元的腹杆和下弦杆。下弦杆内力较大，用钢量省，但空间刚度较三角锥网架小。适用于中、小跨度的三角形、六边形和圆形等平面的建筑。上弦为正三角形和正六边形网格，下弦为正六边形网格。本身几何可变。其上弦杆短，下弦杆长，受力合理。适用于中、小跨度周边支承的情况，可用于六边形、圆形或矩形平面。3.2.3 网架选型网架选型根据建筑和大小，和等因素确定。跨度：跨度：按按网架结构设计与施工规程网架结构设计与施工规程JGJ 7-91 大跨度为60m以上 中跨度为3060m 小跨度为30m以下 3.2.3.1 网架结构的支承网架结构的支承周边支承；点支承；周边支承与点支承相结合；两边和三边支承等。3.2.3.2 网架高度及网格尺寸 网架的高度与等因素有关。v 屋面荷载较大、跨度较大时，网架高度应选得大一些；v 平面形状为圆形、正方形或接近正方形时，网架高度可取得小一些，狭长平面时，单向传力明显，网架高度应大一些；v 点支承网架比周边支承的网架高度要大一些；v 当网架中有穿行管道时，网架高度要满足要求；常用网架选型表 支承方式 平面形状 跨度 网架形式 60m 斜放 四角 锥 网架、两向 正交 正放 网架、两向 正交斜 放网 架、正 放四 角锥 网 架、棋盘 形四 角 锥网架、正放 抽空 四 角锥 网架、蜂窝 形三 角锥 网 架、星形四角锥网架 L1/L21.5 60m 两向 正交 正 放网 架、两 向正 交斜 放网 架、正 放四角锥网架、斜放四角锥网架 1.5L1/L22 两向 正交 正 放网 架、正 放四 角锥 网架、正放 抽空四角锥网架、斜放四角锥网架 矩 形 L1/L22 两向 正交 正 放网 架、正 放四 角锥 网架、正放 抽空四角锥网架、单向折线形网架 60m 三向 网架、三角 锥 网架、抽 空三 角锥 网 架、蜂窝形三角锥网架 周 边 支 承 圆形、多边形 60m 三向网架、三角锥网架 三边支承 参照 上 述周 边 支承 矩 形平 面 网架 进 行选 型，但 其 开口 边 可采 取 增加 网架层数 或 适当 增加 整 个网 架 高 度等 办 法，网架 开 口边 必 须 形成 竖 直的 或倾 斜的边桁架 四 点 支 承 及多点支承 正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架 周 边 支 承 与点支承结合 矩 形 正放 四 角锥 网 架、正 放抽 空 四角 锥 网架、两向 正 交正 放 网架、两向 正交斜放网架或斜放四角锥网架 注：1当网架跨度 L1、L2两个方向的支承距离不等时，可选用两向斜交斜放网架。2L1为网架长向跨度；L2为网架短向跨度。v与高度关系密切，斜腹杆与弦杆夹角应控制在4055之间为宜；v要与屋面材料相适应。可按下表选用：3.2.3.3 网架的挠度要求及屋面排水坡度容许挠度：排水坡度：1.用小立柱；2.整个网架起拱；3.变高度网架，增大网架跨中高度。起拱要求：起拱3.3 3.3 网架的计算要点网架的计算要点3.3.1 直接作用（荷载）和间接作用直接作用（荷载）和间接作用 对使用阶段荷载作用荷载作用下的内力和位移内力和位移进行计算，并应根据具体情况对等间接作用及引起的内力和位移进行计算。（1 1）永久荷载）永久荷载：网架自重；屋面（或楼面）材料重力；吊顶材料的重力；设备管道的重力。双层网架自重gok（kN/m2）200/2Lqgwokqw除网架自重以外的屋面荷载（或楼面荷载）的标准值（kN/m2）系数，对钢管杆件网架取，对型钢杆件网架取 （2 2）可变荷载可变荷载：（3 3）抗震验算：抗震验算：竖向抗震验算：设防烈度为8度或9度的地区，周边支承及多点支承和周边支承相结合的网架屋盖，竖向地震作用标准值为 v 为竖向地震作用系数。Gi为网架第i节点的力荷载代表值，永久荷载取100%；雪荷载及屋面积灰荷载取50%，屋面活荷载不计入 ivEvkiGF竖竖 向向 地地 震震 作作 用用 系系 数数 场 地 类 别 设 防 烈 度 、8 可 不 计 算（0.10）0.08（0.12）0.10（0.15）9 0.15 0.15 0.20 注：括 号 中 数 值 用 于 设 计 基 本 地 震 加 速 度 为 0.3g 地 区 悬挑长度较大的网架屋盖结构以及用于楼层的网架结构，当设防烈度为8度或9度时，其竖向地震作用标准值可分别取该结构重力荷载代表值的10%或20%。设计基本地震加速度为时，取15%。计算重力荷载代表值时，永久荷载取100%，雪荷载和屋面积灰荷载取50%，不计屋面活荷载，一般建筑取楼层活荷载的50%。对于平面复杂或重要的大跨度网架结构可采用振型分解反应谱法或时程分析法作专门的竖向抗震分析和验算 水平抗震验算 在抗震设防烈度为8度的地区，对于周边支承的中小跨度网架可不进行水平抗震验算；在抗震设防烈度为9度的地区，对各种网架结构均应进行水平抗震验算。水平地震作用下网架的内力、位移可采用空间桁架位移法计算。（4 4）温度内力：）温度内力：不计算的条件支座节点的构造允许网架侧移，且侧移值不小于下式的计算值；周边支承的网架，当网架验算方向跨度小于40m，且支承结构为独立柱或砖壁柱；在单位力作用下，柱顶位移大于或等于下式的计算值 系数，支承平面内弦杆为正交正放时取，正交斜放时取 ，三向时取；Am支承（上承或下承）平面内弦杆截面积的算术平均值；1038.02ftEEALum2计算方法：采用空间桁架位移法1.近似计算方法：把空间网架及支承结构简化为平面构架分析 ot2Lut柱顶不受阻碍，在温度上升t时向外移动:柱的约束作用使此位移不能充分发展，并在支承面弦杆中产生应力t，致使实际位移为:2LEtutt设柱的侧移刚度为Kc，则柱顶水平力的平衡条件是:tcmtuKA 弦杆温度应力为:ot2ctmcu K ELEAK相应的柱顶水平力为：Am乘以系数，适用于不同的网架形式：mcottEALKuH212ttcmLHLKEA33ccCcE IKHtff，有：（5 5）荷载及荷载效应组合）荷载及荷载效应组合 ：对非抗震设计，按建筑结构荷载规范GB 50009；对抗震设计，另加建筑抗震设计规范GB 50011 3.3.2 网架内力分析方法网架内力分析方法 按弹性阶段计算按弹性阶段计算（1）空间桁架位移法（空间杆系有限元法）空间桁架位移法（空间杆系有限元法）（2）交叉梁系差分法：）交叉梁系差分法：可用于跨度在可用于跨度在40m以下由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架计算以下由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架计算（3）拟夹层板法）拟夹层板法 可用于跨度在可用于跨度在40m以下的由平面桁架系或角锥体组成的网架计算以下的由平面桁架系或角锥体组成的网架计算（4）假想弯矩法）假想弯矩法 可用于斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架的估算可用于斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架的估算 3.4 3.4 空间杆系有限元法空间杆系有限元法 以网架的杆件杆件为基本单元，以节点位移节点位移为基本未知量。先由杆件内力与节点位移之间的关系建立单元刚度矩阵，然后根据各节点平衡及变形协调条件建立结构的节点荷载和节点位移间关系，形成结构总刚度矩阵和总刚度方程。总刚度方程是以节点位移为未知量的线性方程组。引入边界条件后，求解出各节点位移值。最后由杆件单元内力与节点位移间关系求出杆件内力。3.4.1 基本假定基本假定（1）网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力；（2）结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变形很小，符合小变形理论。3.4.2 空间杆系有限元法要点空间杆系有限元法要点（1）单元刚度矩阵 空间杆系空间杆系有限单元：每个杆件共有6个自由度：对应6个杆端力：它们之间的关系是 Tj zj yj xi zi yi xeFFFFFFF Tjjjiiiewvuwvu eeeKF式中即单元刚度矩阵。和结构力学的矩阵位移法一致，只是相应于剪力的各项均为零。000000000000001001000000000000001001ijelEAK（2）坐标转换 ijxyzxyz杆单元在整体坐标系中的位置 ijijijijijijlzznlyymlxxlcoscoscosFeTFe；FeTTFe eTe；eTTe 222)()()(ijijijijzzyyxxlT22211211TTTT 坐标转换矩阵T为：222222222222110nllnlmnnnlmnlnnllmlTTT12T210 整体坐标下 ij杆的杆端力和位移关系为：222222222nmnlnnmnlnmlmmnmlmllnlmlnmnlnmlmllEAKije称对（3）结构总刚度矩阵及总刚度方程 ejiejjjiijiiejiKKKKFFKP 总刚矩阵具有下列特点：对称性；稀疏性 （4）结构总刚矩阵中边界条件的处理方法 位移为零：划行划列法和乘大数法。弹性约束：将弹簧刚度K0叠加到总刚矩阵中对应的主对角元上。指定位移：右端指定位移项和相应主对角元乘以大数R （5）网架的边界条件及对称性利用 当网架结构（包括支座）和外荷载有n个对称面时，可利用对称条件只分析网架的1/(2n)。对称面内各杆件的截面积应取原截面面积的一半，n个对称面交线上的中心竖杆，其截面面积应取原截面面积的1/(2n)。在对称荷载作用下，对称面内网架节点的反对称位移为零；在反对称荷载作用下，对称面内网架节点的对称位移应取为零。（6）斜边界处理根据边界点的位移情况设置具有一定截面积的附加杆对斜边界上的节点位移做坐标变换 （7）杆件内力 展开为：FeTTK ee )(cos)(cos)(cosijijijijwwvvuulEAN3.4.3 空间杆系有限元法计算步骤空间杆系有限元法计算步骤（1）计算简图，对节点和杆件进行编号；（2）计算杆件单元长度及杆件与整体坐标轴夹角余弦；（3）初选各杆的截面积；（4）建立局部和整体坐标系下的单元刚度矩阵；（5）集合总刚矩阵，采用变带宽一维存贮方式；（6）建立荷载列阵；（7）引入边界条件对总刚度方程进行处理；（8）求解总刚度方程，得出各节点位移值；（9）根据节点位移计算杆件内力；（10）按杆件内力调整杆件截面，并重新计算，迭代次数宜不超过45次。3.5 3.5 网架杆件设计网架杆件设计截面 钢管、热轧型钢和冷弯薄壁型钢 计算长度（l为杆件几何长度）网架杆件计算长度 l0 节 点 杆 件 螺栓球 焊接空心球 板节点 弦杆及支座腹杆 l 0.9l l 其它腹杆 l 0.8l 0.8l 容许长细比（1）受压杆件：=180（2）受拉杆件：一般杆件=400，支座附近处杆件=300，直接承受动力荷载杆件=250。最小截面尺寸普通角钢截面 L503钢管482 3.6 3.6 节点设计节点设计 形式：焊接空心球节点 螺栓球节点 焊接钢板节点 焊接钢管节点 杆件直接汇交节点 3.6.1 焊接空心球节点焊接空心球节点D（d12ad2）/空心球节点杆件间缝隙 焊接空心球节点构造 NcDdttdc223.13400 受压空心球承载力设计值：受拉空心球承载力设计值：Ntfdtt55.0 焊缝可按对接焊缝计算，质量应达到级要求：否则只能作为斜角角焊缝按下式计算：fedhNwff 3.6.2 螺栓球节点螺栓球节点螺栓球连接节点图示 目前尚无实用方法，按节点构造确定钢球直径：取决于相邻杆件的夹角、螺栓直径和螺栓伸入球体的长度等因素。D21221122sinddctgdd D212212sindctgdd 螺栓不碰要求：套筒接触面要求：钢球直径取式以上两式的较大值。D211221212)(4sindDSDctgDD 当相邻两杆夹角30时，还要保证相邻两根杆件（管端为封板）不相碰要求：螺栓尺寸：级或级btNbtefA 螺栓直径对承载力影响系数，d30mm时取；否则取。ftb钢材热处理后的抗拉强度设计值。Ae螺栓的有效截面面积。螺栓杆长度Sdlb（340）图 338 高强螺栓几何尺寸 式中 螺栓伸入钢球的长度与螺栓直径之比，一般1.1；0.65d lb 1.56d d 套筒：套筒长度计算套筒承压计算ccnNfA螺钉和销钉：高强度钢材、直径38mm锥头和封板2()N RSRf3.6.3 焊接钢板节点焊接钢板节点 3.6.4 支座节点支座节点 角位移受到很大的约束，只适用于较小跨度网架；线位移取决于底板上开孔的形状和尺寸 角位移未受约束，适用于中小跨度网架 适用于较大跨度网架。在承受拉力的锚栓附近应设加劲肋以增强节点刚度 支座和底板间设有弧形块，都是柱面，支座既可转动又可平移 只能转动而不能平移，适用于多支点支承的大跨度网架 通过橡胶垫的变形，支座既可又可。如果在一个方向加限制，支座为单向可侧移式，否则为两向可侧移式 构造上与平面桁架支座类似：平面尺寸、厚构造上与平面桁架支座类似：平面尺寸、厚度、肋板尺寸和焊缝参照设计；度、肋板尺寸和焊缝参照设计；区别：可能受拉，由拉力确定锚栓直径区别：可能受拉，由拉力确定锚栓直径AeRt/(nfta)平面尺寸：平面尺寸：a1 b1R/f厚度：倒置的双悬挑板厚度：倒置的双悬挑板半径：半径：11134Ratb f2180RErb f：氯丁橡胶或天然橡胶：氯丁橡胶或天然橡胶橡胶橡胶A：承压：承压 ARmax/允许抗压强度允许抗压强度idbaab)(2为支座形状系数为支座形状系数：剪切变形：剪切变形d0=2dt+ndi 根据d0tanu tan得 ad0u 上下表层厚度宜为，中间可为上下表层厚度宜为，中间可为5、8、11mm，钢板厚钢板厚23mm。橡胶垫板橡胶垫板：不能太大也不能太小：不能太大也不能太小0mmax0mm010.052/dwaRdwdEAE水平力作用下的水平力作用下的：g0/RGAu d 与钢，与混凝土Rg倍的永久荷载标准值产生的支座反力：对气温不低于25地区，可采用垫板。对气温不低于30地区，可采用垫板。对气温不低于40地区，可采用。橡胶垫板的长边应与网架支座切线方向平行放置。橡胶垫板与支柱或基座的钢板或混凝土间可采用502胶等胶结剂粘结固定。橡胶垫板上的应大于螺栓直径10mm。设计时宜考虑长期使用后因而需更换的条件。在橡胶垫板四周可涂以防止老化的酚醛树脂，并粘结泡沫塑料。橡胶垫板在安装、使用过程中应与等油类物质以及其它对橡胶有害的物质接触。3.7 3.7 网壳网壳3.7.1 网壳结构形式网壳结构形式：单层网壳和双层网壳：球面网壳、柱面网壳、双曲扁网壳、扭曲面网壳、单块扭网壳、双曲抛物面网壳，以及切割或组合形成曲面网壳等结构形式 3.7.2 网壳的一般计算原则网壳的一般计算原则 网壳结构在外在下的内力、位移及整体稳定计算除之外，还应根据具体情况包括等效应。网壳结构的有：网壳自重（网壳节点自重可按网壳杆件总重的1/51/4估算）；屋面材料的重力；吊顶材料的重力；设备管道的重力。网壳结构的有：屋面活荷载，其标准值一般可取2；雪荷载，雪荷载与屋面活荷载不应同时考虑，取两者中的大值；风荷载。网壳结构具有很强的性能，宜采用。网壳的抗震分析宜分进行，第一阶段为多遇地震作用下的弹性分析，求得杆件内力，按荷载组合的规定进行杆件和节点设计；第二阶段为罕遇地震作用下的弹塑性分析，用于校核网壳的位移及破坏。符合下列条件之一者可不考虑的影响：支座节点的构造允许网壳侧移（如橡胶支座）且其侧移值等于或大于(3-4)式的计算值；周边支承于独立柱，且网壳在验算方向跨度小于40m；支承网壳的柱在单位水平力作用于柱顶时，柱顶位移大于或等于式(3-4)式的计算值。不符合上述条件时，网壳应考虑温度应力的影响。设计中考虑的温度应力情况一般有：整个网壳有等温度变化；双层网壳上下层有温度差t。网壳的温度应力计算可采用。网壳应按最不利的荷载效应组合进行设计：对于荷载效应组合应按现行国家标准建筑结构荷载规范（GB 500092001）进行计算。，荷载效应组合应按国家标准建筑抗震设计规范（GB 500112001）进行计算。3.7.3 网壳的设计及计算网壳的设计及计算3.7.3.1 网壳的内力分析网壳是一个的，几何非线性较其它结构明显，其整体稳定性对结构几何形状的变化也很敏感。网壳计算主要是采用的：单层：刚接，空间梁柱单元；双层：铰接，空间杆单元。3.7.3.2 网壳的稳定性采用非线性有限单元法，取 det|K|0 求。：不稳定分岔屈曲，对缺陷十分敏感，设计时需要引进临界荷载的。有的文献建议取，也有文献建议取1/71/8。不同形式的壳体，承受不同类型的荷载时，其。3.7.3.3 网壳杆件及节点设计 计算长度计算长度容许长细比容许长细比验算内容验算内容 网壳中轴心受力杆件，压弯、拉弯杆件应按现行其。节点设计节点设计 网壳时，可采用螺栓球节点，可采用焊接空心球节点。杆件采用时，可采用，计算与网架节点相同。本章小结本章小结