结构力学ch3.大跨屋盖结构

第3章 大跨屋盖结构,大跨屋盖结构体系 网架的形式 网架计算要点 网架的设计,主要内容：,重点：,网架的形式 网架的设计（杆件和节点）,第3章 大跨屋盖结构,3.1 结构形式,平面结构体系 梁式结构（平面桁架、空间桁架），平面刚架和拱式结构 空间结构体系 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,第3章 大跨屋盖结构,3.2 网架的形式,按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架,第3章 大跨屋盖结构,网架结构几何不变的必要条件： W=3J-m-r0 几何可变体系 的判断： K中对角线上出现零元素 |K|=0,3.2.1网架结构的几何不变性分析,第3章 大跨屋盖结构,平面桁架系网架 两向正交正放网架 两向正交斜放网架 三向网架,3.2.2双层网架常用的形式,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40°60°之间,第3章 大跨屋盖结构,两向正交正放网架,两向正交正方,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,第3章 大跨屋盖结构,两向正交斜放网架,两向正交斜放,短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利。角部产生拔力，常取无角部形式。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。,第3章 大跨屋盖结构,两向正交斜放网架,两向正交斜放,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。三向网架适用于大跨度且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形的情况。,第3章 大跨屋盖结构,四角锥体系网架 正放四角锥网架 正放抽空四角锥网架 棋盘形四角锥网架 斜放四角锥网架 星形四角锥网架,第3章 大跨屋盖结构,正放四角锥网架,正放四角锥网架,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。适用于建筑平面接近正方形的周边支承及点支承情况。,第3章 大跨屋盖结构,正放抽空四角锥网架,两向正交斜放,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。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。,第3章 大跨屋盖结构,棋盘形四角锥网架,棋盘形四角锥网架,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。克服了斜放四角锥网架屋面板类型多，屋面组织排水较困难的缺点。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。,第3章 大跨屋盖结构,斜放四角锥网架,斜放四角锥网架,受力合理，杆件数量少，屋面板类型多，屋面组织排水较困难。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。,第3章 大跨屋盖结构,星形四角锥网架,星形四角锥网架,将四角锥底面的四杆换为十字交叉杆,并加中竖杆形成。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。,第3章 大跨屋盖结构,三角锥体系网架 三角锥网架 抽空三角锥网架 蜂窝形三角锥网架,第3章 大跨屋盖结构,三角锥网架,三角锥网架,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。适用于大中跨度及重屋盖建筑物，当建筑平面为三角形、六边形和圆形时最为适宜。,第3章 大跨屋盖结构,抽空三角锥网架,抽空三角锥网架,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。,第3章 大跨屋盖结构,蜂窝形三角锥网架,蜂窝形三角锥网架,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。,第3章 大跨屋盖结构,大跨度为60m以上 中跨度为3060m 小跨度为30m以下,3.2.3网架选型,根据建筑平面形状和跨度大小，支承方式、荷载大小、屋面构造和材料、制作安装方法等因素。 网架结构设计与施工规程JGJ 7-91,第3章 大跨屋盖结构,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,第3章 大跨屋盖结构,网架结构的支承,周边支承,第3章 大跨屋盖结构,网架结构的支承,点支承,第3章 大跨屋盖结构,网架结构的支承,周边支承和点支承结合,第3章 大跨屋盖结构,网架高度及网格尺寸：网架的高度与屋面荷载、跨度、平面形状、支承条件及设备管道等因素有关。,第3章 大跨屋盖结构,网架的挠度要求及屋面排水坡度,用小立柱,起拱,网架屋面找坡,找坡立柱,容许挠度：用作屋盖L2/250，用作楼盖L2/300 排水坡度：3%5% 起拱要求：L2/300,第3章 大跨屋盖结构,3.3 网架的计算要点,满足网架结构设计与施工规程JGJ7-91的规定,对使用阶段荷载作用下的内力和位移进行计算，并应根据具体情况对地震作用、温度变化、支座沉降等间接作用及施工安装荷载引起的内力和位移进行计算。 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。,3.3.1直接作用（荷载）和间接作用,第3章 大跨屋盖结构,可变荷载：活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载及吊车荷载 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 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,第3章 大跨屋盖结构,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,第3章 大跨屋盖结构,荷载及荷载效应组合 ： 对非抗震设计，建筑结构荷载规范GB 50009 ； 对抗震设计 ，建筑抗震设计规范GB 50011,需要计算温度应力时，采用空间桁架位移法，或近似计算方法：,第3章 大跨屋盖结构,空间桁架位移法（空间杆系有限元法） 交叉梁系差分法是一种简化计算方法 拟夹层板法是又一种简化计算方法 假想弯矩法也属简化计算方法,3.3.2网架内力分析方法,按弹性阶段计算,第3章 大跨屋盖结构,3.4 空间杆系有限元法,方法介绍： 以网架的杆件为基本单元，以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。,第3章 大跨屋盖结构,网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力； 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。,3.4.1基本假定,第3章 大跨屋盖结构,单元刚度矩阵 空间杆系有限单元：每个杆6个自由度,3.4.2 空间杆系有限元法要点,对应6个杆端力,它们之间的关系是,第3章 大跨屋盖结构,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,第3章 大跨屋盖结构,坐标转换,杆单元在整体坐标系中的位置,第3章 大跨屋盖结构,坐标转换矩阵T为,第3章 大跨屋盖结构,结构总刚度矩阵及总刚度方程,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：主对角元和右端项乘以大数R,第3章 大跨屋盖结构,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。,第3章 大跨屋盖结构,结构斜边界处理 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,杆件内力,展开为,第3章 大跨屋盖结构,计算简图，对节点和杆件进行编号； 计算杆件单元长度及杆件与整体坐标轴夹角余弦； 初选各杆的截面积； 建立局部和整体坐标系下的单元刚度矩阵； 集合总刚矩阵，采用变带宽一维存贮方式； 建立荷载列阵； 引入边界条件对总刚度方程进行处理； 求解总刚度方程，得出各节点位移值； 根据节点位移计算杆件内力； 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。,3.4.3 空间杆系有限元法计算步骤,第3章 大跨屋盖结构,3.5 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）,网架杆间计算长度l 0,第3章 大跨屋盖结构,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,第3章 大跨屋盖结构,3.5 节点设计,形式 ： 焊接空心球节点(P.121,图3-30) 螺栓球节点(P.123,图3-34) 焊接钢板节点(P.128,图3-43) 焊接钢管节点(P.120,图3-28) 杆件直接汇交节点(P.120,图3-29),第3章 大跨屋盖结构,D（d1d22a）/,3.6.1焊接空心球节点,空心球节点杆件间缝隙,第3章 大跨屋盖结构,焊接空心球节点构造,第3章 大跨屋盖结构,焊接空心球节点构造,第3章 大跨屋盖结构,3.6.2螺栓球节点,螺栓球连接节点图示,第3章 大跨屋盖结构,钢球尺寸,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。,第3章 大跨屋盖结构,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：,第3章 大跨屋盖结构,螺栓尺寸,第3章 大跨屋盖结构,3.6.3焊接钢板节点,焊接钢板节点,第3章 大跨屋盖结构,3.6.4支座节点,角位移受到很大的约束，只适用于较小跨度网架,平板压力或拉力支座,第3章 大跨屋盖结构,角位移未受约束，适用于中小跨度网架,单面弧形压力支座,第3章 大跨屋盖结构,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,单面弧形拉力支座,第3章 大跨屋盖结构,支座和底板间设有弧形块，上下面都是柱面，支座既可转动又可平移,双面弧形拉力支座,第3章 大跨屋盖结构,只能转动而不能平移，适用于多支点支承的大跨度网架,球铰压力支座,第3章 大跨屋盖结构,通过橡胶垫的压缩和剪切变形，支座既可转动又可平移。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,板式橡胶支座,第3章 大跨屋盖结构,3.7 网壳,按组成层数分：单层网壳和双层网壳 按曲面外形：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,3.7.1网壳结构形式,第3章 大跨屋盖结构,3.7.2网壳的一般计算原则,网壳结构在外在作用下的内力、位移及整体稳定计算除工作荷载之外，还应根据具体情况包括地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等效应,第3章 大跨屋盖结构,3.7.3网壳的设计及计算,网壳的内力分析 网壳是一个准柔性的高次超静定结构，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。目前网壳计算主要是采用考虑几何非线性的有限单元法。,第3章 大跨屋盖结构,网壳的稳定性 采用非线性有限单元法，取 det |K|0 求临界荷载 临界荷载的折减(缺陷),第3章 大跨屋盖结构,网壳杆件及节点设计 计算长度 容许长细比 验算内容 网壳中轴心受力杆件，压弯、拉弯杆件应按现行钢结构设计规范验算其强度和稳定。 节点设计 网壳杆件采用圆钢管时，铰接节点可采用螺栓球节点，刚接可采用焊接空心球节点。杆件采用角钢组合截面时，可采用钢板节点，计算与网架节点相同,