空间钢结构讲解

1、崔崔 佳佳 重庆大学土木工程学重庆大学土木工程学院院 7. 大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会大跨与空间钢结构主要用于公共建筑，如大会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、航空港等。场、航空港等。 大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的大跨度结构也用于工业建筑，如飞机制造厂的总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。总装配车间、飞机库、造船厂的船体结构车间等等。这些建筑采用大跨结构是受装配机器（如船舶、飞这些建筑采用大跨结构是受装配机器（如船舶、飞机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。机）的大型尺寸或工艺过程要求所决定的。展览馆

2、展览馆日本大分体育公园综合竞技场伦敦千年穹顶 大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家标准标准钢结构设计规范钢结构设计规范、网架结构设计与施工网架结构设计与施工规程规程将将6060m以上定义为以上定义为大跨度结构，计算和构造大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最大跨度做到均有特殊规定。我国目前最大跨度做到153153m，以，以钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。 大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨盾是减轻结构自重，故

3、最适宜采用钢结构。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。 平面结构体系平面结构体系梁式体系梁式体系框架式体系框架式体系拱式体系拱式体系空间结构体系空间结构体系网架及网壳结构网架及网壳结构悬索结构悬索结构膜结构膜结构 梁式结构体系一般采用简支桁架的形式，桁架梁式结构体系一般采用简支桁架的形式，桁架的优点是制作与安装都比较简单，其上、下弦及腹的优点是制作与安装都比较简单，其上、下弦及腹杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。

4、 适用跨度：适用跨度：4040 6060m，更大的跨度由于耗钢量，更大的跨度由于耗钢量过大而不经济。过大而不经济。 重点是支撑系统的布置，对保证整个结构体系重点是支撑系统的布置，对保证整个结构体系的整体刚度是非常重要的。的整体刚度是非常重要的。 大跨度梁式结构的外形及腹杆体系，决定于跨大跨度梁式结构的外形及腹杆体系，决定于跨度、屋面型式及吊天棚结构的形式，常用的有梯形度、屋面型式及吊天棚结构的形式，常用的有梯形和拱形桁架。按重量最优确定的桁架的高跨比一般和拱形桁架。按重量最优确定的桁架的高跨比一般为为1/61/61/81/8。 常用形式：常用形式： （1 1）角钢（或）角钢（或T型钢）桁架型钢

5、）桁架 （2） H型钢重型桁架型钢重型桁架* （3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）钢管桁架（圆钢管或矩形管）* 桁架设计的难点在节点和支座，桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于跨度大于35354040m时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的，时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的，以减小对支承墙体或支柱传递的横向反力，横向反以减小对支承墙体或支柱传递的横向反力，横向反力一般由屋架下弦的弹性变形产生。力一般由屋架下弦的弹性变形产生。* * 上海证卷大厦上海证卷大厦 连接两幢主楼连接两幢主楼的天桥桁架跨度的天桥桁架跨度63m，共支承着从，共支承着从17层至层至26层共层共8个个楼层，采用了楼层，采用了

6、H型型钢重型桁架。钢重型桁架。上海浦东国际机场 上海上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m，跨中高度超过跨中高度超过11m，单榀屋架梁重，单榀屋架梁重55吨。吨。 为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架为了增加屋架结构的刚度，同时为保证屋架梁在风吸力作用下始终处于受拉状态，下弦布置梁在风吸力作用下始终处于受拉状态，下弦布置了一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。了一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。 一般用节点板连接，过去采用的方法是按桁架一般用节点板连接，过去采用的方法是按桁架弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚，当受力较复弦杆或腹杆的最大内力选择节点板厚，当受

7、力较复杂时不可靠。国外有些规范（如美国杂时不可靠。国外有些规范（如美国AISC规范）规规范）规定需进行计算。定需进行计算。 88规范后的规范后的9090年代，重庆钢铁设计研究院会同年代，重庆钢铁设计研究院会同云南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点云南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点板的试验，其中受拉试件板的试验，其中受拉试件1616个，受压试件个，受压试件8 8个。个。 a. .受拉节点受拉节点 试件的破坏特征均为沿最危险的试件的破坏特征均为沿最危险的 线段撕裂破坏，即图线段撕裂破坏，即图b中的三折线撕裂，中的三折线撕裂， 和和 均与节点板边缘线基本垂直均与节点板边缘线基本垂直。

8、* *CDACBACDBA 钢结构设计规范钢结构设计规范建议用撕裂面法，沿建议用撕裂面法，沿BACD撕裂线割取自由体，假定由于板内塑性区的撕裂线割取自由体，假定由于板内塑性区的发展引起应力重分布，破坏时撕裂面各线段上的折发展引起应力重分布，破坏时撕裂面各线段上的折算应力算应力 均匀分布且平行于腹杆轴力均匀分布且平行于腹杆轴力* *，当各撕裂，当各撕裂段上的折算应力均达到抗拉强度段上的折算应力均达到抗拉强度fu时板件破坏。根时板件破坏。根据平衡条件并忽略据平衡条件并忽略M和和V，则第，则第i 段撕裂面的平均正段撕裂面的平均正应力应力 i 和平均剪应力和平均剪应力 i 为为: : iiiiiiit

9、lNsinsiniiiiiitlNcoscosuiiitflN2cos211折算应力为折算应力为即即令令第第i 段的拉剪折算系数段的拉剪折算系数 则则 由由 写成计算式则为写成计算式则为 （b b）ii2cos211uiiitflNuiiuiiifAftlNN)()(fANiiuiiiiiiiiiredft lNt lN22222cos21cos3sin3 第第i段撕裂面与拉力作用线的夹角。段撕裂面与拉力作用线的夹角。 公式（公式（b）符合破坏机理，其计算结果与试验值之）符合破坏机理，其计算结果与试验值之比平均为比平均为87.5%，略偏安全且离散性小。，略偏安全且离散性小。 公式还适用于下图两

10、种板件的撕裂面的计算。公式还适用于下图两种板件的撕裂面的计算。 i 由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳，用撕受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳，用撕裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外多数国家的经验，规范建议对桁架节点板也可采用多数国家的经验，规范建议对桁架节点板也可采用有效宽度法进行承载力计算。有效宽度法进行承载力计算。 有效宽度法假定腹杆轴力有效宽度法假定腹杆轴力通过连接件在节点板通过连接件在节点板内按照应力扩散角度传至连接件端部与内按照应力扩散角

11、度传至连接件端部与N 相垂直的相垂直的一定宽度范围内，称为有效宽度一定宽度范围内，称为有效宽度be 。 假定假定b be e范围内的节点板应力达范围内的节点板应力达到到fu，并令，并令betfu=Nu(节点板破坏节点板破坏时的腹杆轴力时的腹杆轴力) )，按此法拟合的结，按此法拟合的结果，当应力扩散角果，当应力扩散角 =270时精度最时精度最高，计算值与试验值的比高，计算值与试验值的比值平均值平均为为98.9%；当；当 =300时，比值为时，比值为106.8%，考虑到国外多数国家对，考虑到国外多数国家对应力扩散角均取为应力扩散角均取为300，为与国际，为与国际接轨且误差较小，建议取接轨且误差较小

12、，建议取 =300。 有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉或螺栓连接时，或螺栓连接时，be应取为有效净宽度）。应取为有效净宽度）。 b. .受压节点受压节点 在压力作用下，与受压杆件相连的节点板区域在压力作用下，与受压杆件相连的节点板区域除强度破坏外，还有可能丧失稳定。试验共作了除强度破坏外，还有可能丧失稳定。试验共作了8个个受压斜腹杆的试件，其中有、无竖腹杆的试件各受压斜腹杆的试件，其中有、无竖腹杆的试件各4 4个。个。试验结果有以下特点：试验结果有以下特点： 当节点板

13、的自由边长度当节点板的自由边长度 lf 与厚度与厚度 t 之比之比 时（一般出现在无竖腹杆的时（一般出现在无竖腹杆的节点板），节点板），* *节点板稳定性很差，此时应沿自由边加节点板稳定性很差，此时应沿自由边加劲。加劲后，稳定承载力有较大提高。劲。加劲后，稳定承载力有较大提高。yfftl/23560/ 在斜腹杆压力作用下，失稳形式一般为在在斜腹杆压力作用下，失稳形式一般为在ABBCCD 线附近或前方呈三折线屈折破坏。屈线附近或前方呈三折线屈折破坏。屈折线的位置和方向与受拉时的撕裂线类似，而且一折线的位置和方向与受拉时的撕裂线类似，而且一般在般在 区的前方首先失稳，其它各区相继失稳。区的前方首先

14、失稳，其它各区相继失稳。* *BC* * 节点板的抗压性能取决于节点板的抗压性能取决于c/t 的大小（的大小（c为为受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距），在一般情况下，杆的净距），在一般情况下，c/t 愈大稳定承载力愈大稳定承载力愈低，对有竖腹杆的节点板，当愈低，对有竖腹杆的节点板，当时，可不验算节点板的稳定。时，可不验算节点板的稳定。yftc/23515/ 对无竖腹杆的节点板，当对无竖腹杆的节点板，当 时，时，节点板的稳定承载力约为强度承载力的节点板的稳定承载力约为强度承载力的80%，故可，故可将受压腹杆的内力乘以增大系数将受压腹杆的

15、内力乘以增大系数1.25后再按受拉节点后再按受拉节点板的强度计算进行计算，当板的强度计算进行计算，当 时应按时应按规范附录规范附录F进行稳定计算。但当进行稳定计算。但当 时，规范规定的计算值将大于试验值，不安全，故时，规范规定的计算值将大于试验值，不安全，故规定规定 c/t 不能超过不能超过 。对自由边加劲的无。对自由边加劲的无竖腹杆节点板，要求与有竖腹杆的相同。竖腹杆节点板，要求与有竖腹杆的相同。yftc/23510/ yftc/2355 .17/ yf/2355 .17yftc/23510/ 桁架节点板厚度选用表桁架节点板厚度选用表 一般的钢结构教科书和手册均列有一般的钢结构教科书和手册均

16、列有“桁架节点板桁架节点板厚度选用表厚度选用表”，但都系互相参考，缺乏科学依据。这，但都系互相参考，缺乏科学依据。这次该研究组先制作了次该研究组先制作了N- t/b关系表（关系表（N为腹杆最大拉力为腹杆最大拉力；t为节点板厚度；为节点板厚度；b为连接肢宽度），反映了侧焊缝为连接肢宽度），反映了侧焊缝焊脚尺寸焊脚尺寸hf1、hf2的影响。同时又在上述参数组合的的影响。同时又在上述参数组合的最不利情况下，重新整理出偏于安全的最不利情况下，重新整理出偏于安全的Nt表。相对表。相对来说它比以往的来说它比以往的Nt表更符合实际。表更符合实际。 为保证节点板受压时的稳定，桁架杆件间间隙不为保证节点板受压时

17、的稳定，桁架杆件间间隙不能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲的节点板）的节点板） ，不能理解为，不能理解为c c 值愈小愈值愈小愈好。规范规定好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙，不应小于隙，不应小于20mm”，是由于间隙过小，焊接残余，是由于间隙过小，焊接残余应力影响过大。而对吊车桁架，为避免疲劳破坏又应力影响过大。而对吊车桁架，为避免疲劳破坏又规定此间隙规定此间隙“不宜小于不宜小于50mm”；同时还规定在工作；同时还规定在工作温度温度-20 C地区的桁架，为防冷脆，地区的桁架，为防冷脆，“腹杆与弦杆

18、相腹杆与弦杆相邻焊缝焊趾间净距不宜小于邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t ”。同样，这些规。同样，这些规定不能理解为杆件间间隙愈大愈好，在某些情况如定不能理解为杆件间间隙愈大愈好，在某些情况如出现矛盾，应妥善处理。出现矛盾，应妥善处理。yftc/23515 随着热轧随着热轧H型钢在我国投产，剖分型钢在我国投产，剖分T型钢用于型钢用于桁桁架弦杆或腹杆的情况越来越多。架弦杆或腹杆的情况越来越多。T 型钢桁架的优点型钢桁架的优点是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。是：无离缝、防腐易处理、用钢量省。 问题：问题： （1 1）节点施工不方便；）节点施工不方便； （2 2）节点构造方式不同，节点内的应力状态更

19、加）节点构造方式不同，节点内的应力状态更加复杂，同时，对节点受力研究不够，故规范公式均复杂，同时，对节点受力研究不够，故规范公式均不适用；不适用； （3 3）板件的局部稳定难以满足）板件的局部稳定难以满足8888规范的规定。规范的规定。 轴心受压构件和弯矩使自由边受拉的压弯构件，轴心受压构件和弯矩使自由边受拉的压弯构件， 对热轧剖分对热轧剖分T型钢的局部稳定：型钢的局部稳定： 原原88规范规定的宽厚比限值：规范规定的宽厚比限值： 新规范规定的宽厚比限值：新规范规定的宽厚比限值： 计算模型为考虑翼缘与腹板完全嵌固，取屈曲计算模型为考虑翼缘与腹板完全嵌固，取屈曲系数为系数为1.28，不近合理，需试

20、验验证。，不近合理，需试验验证。yf/235)1 . 010(yf/235)2 . 015( 桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长，桁架节点铰接是一种近似，条件是杆件较细长，以以H型钢作型钢作弦杆或腹杆的弦杆或腹杆的重型桁架，设计时应注意重型桁架，设计时应注意节点的次应力，或按刚接节点设计，对重要的节点节点的次应力，或按刚接节点设计，对重要的节点还应进行有限元分析。还应进行有限元分析。 钢管桁架节点受力复杂，原钢管桁架节点受力复杂，原8888规范只有直接焊规范只有直接焊接的平面桁架式圆管结构的条文。近几年同济大学接的平面桁架式圆管结构的条文。近几年同济大学对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和

21、分析；哈建对圆钢管空间桁架节点作了一些试验和分析；哈建大对直接焊接的方管桁架结构（主管为方管，支管大对直接焊接的方管桁架结构（主管为方管，支管为方管或圆管）的节点作了一些试验和分析，为方管或圆管）的节点作了一些试验和分析，钢钢结构设计规范结构设计规范修订时，其成果已部分纳入。修订时，其成果已部分纳入。直接焊接的平面圆钢管节点直接焊接的平面圆钢管节点a) X型节点；型节点；b) T型或型或Y型节点；型节点； c）K型节点型节点直接焊接的空间圆钢管节点直接焊接的空间圆钢管节点e ) TT型节点；型节点；f ) KK型节点型节点 XX型管节点的数据量较少，计算结果与试验型管节点的数据量较少，计算结果

22、与试验结果吻合情况也不甚理想，而这种节点类型目前结果吻合情况也不甚理想，而这种节点类型目前在实际应用中较少用到，故在规范内未予列入。在实际应用中较少用到，故在规范内未予列入。直接焊接的矩形管（含方管）平面管节点直接焊接的矩形管（含方管）平面管节点 a) T、Y型节点；型节点；b) X型节点；型节点；c) K、N型节点，有间隙；型节点，有间隙；d） K、N型节点，搭接。型节点，搭接。管结构的适用范围：管结构的适用范围：（1 1）不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的）不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的直接焊接钢管节点，其疲劳问题远较其它型钢杆件直接焊接钢管节点，其疲劳问题远较其它型钢杆件节点

23、受力情况复杂。节点受力情况复杂。（2 2）为防止钢管发生局部屈曲，限制钢管的径厚）为防止钢管发生局部屈曲，限制钢管的径厚比或宽厚比比或宽厚比 ； （或（或 ） （3 3）管结构采用的管材不应采用屈服强度）管结构采用的管材不应采用屈服强度fy超过超过345N/mm2以及屈强比以及屈强比fy/fu0.8的钢材，且钢管壁厚的钢材，且钢管壁厚不宜大于不宜大于25mm。因为目前国内外对钢管节点的试。因为目前国内外对钢管节点的试验研究工作仅限于此范围。验研究工作仅限于此范围。yftd235100tbthyf23540管结构节点的失效模式管结构节点的失效模式 钢管结构构件的管壁一般很薄，而管径较大，钢管结构

24、构件的管壁一般很薄，而管径较大，在节点处直接焊接的钢管节点实际上是由几个圆筒壳在节点处直接焊接的钢管节点实际上是由几个圆筒壳交汇在一起的一个空间薄壳结构。理论上采用有限元交汇在一起的一个空间薄壳结构。理论上采用有限元方法或弹性薄壳理论进行分析是可行的，全过程分析方法或弹性薄壳理论进行分析是可行的，全过程分析需考虑局部材料进入塑性造成的材料非线形和节点处需考虑局部材料进入塑性造成的材料非线形和节点处主管局部变形造成的几何非线形。但目前主要依赖试主管局部变形造成的几何非线形。但目前主要依赖试验。圆形和矩形的管节点有验。圆形和矩形的管节点有7种破坏模式：种破坏模式：（1 1）主管壁因冲切或剪切而破坏

25、；）主管壁因冲切或剪切而破坏；（2 2）主管壁因受拉屈服或受压局部失稳而破坏；）主管壁因受拉屈服或受压局部失稳而破坏； （3 3）与支管相连的）与支管相连的主管壁因形成塑性铰线主管壁因形成塑性铰线而失效；而失效； （4 4）支管与主管间）支管与主管间连接焊缝的破坏；连接焊缝的破坏； （5 5）受压支管管壁）受压支管管壁的局部屈曲；的局部屈曲； （6 6）受拉支管侧主）受拉支管侧主管壁的局部屈曲；管壁的局部屈曲；（7 7）有间隙的）有间隙的K、N形节点中，主管在间隙处被剪形节点中，主管在间隙处被剪坏或丧失轴向承载力而破坏。坏或丧失轴向承载力而破坏。 以上几种失效模式，有时会同时发生。规范针对以上

26、几种失效模式，有时会同时发生。规范针对不同破坏模式给出了节点承载力的计算公式及构造不同破坏模式给出了节点承载力的计算公式及构造要求，这些公式只有少数是理论推出的，大部分是要求，这些公式只有少数是理论推出的，大部分是经验公式。经验公式。例如：例如： （1 1）当由支管与主管间连接焊缝的破坏控制时，）当由支管与主管间连接焊缝的破坏控制时，可视支管与主管的连接焊缝为全周角焊缝按正面角可视支管与主管的连接焊缝为全周角焊缝按正面角焊缝公式进行计算，但取焊缝公式进行计算，但取 f1 1。角焊缝的计算厚度。角焊缝的计算厚度沿支管周长是变化的，当支管轴心受力时，平均计沿支管周长是变化的，当支管轴心受力时，平均

27、计算厚度可取算厚度可取0.7hf。 焊缝的长度实际上是支管与主管相交线长度，焊缝的长度实际上是支管与主管相交线长度，主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀，焊缝主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀，焊缝的计算长度取为相交线长度，该相交线是一条空间的计算长度取为相交线长度，该相交线是一条空间曲线。规范取为：曲线。规范取为： 当当di/d0.65时：时： lw(3.25di0.025d)(0.466) 当当di/d0.65时：时： lw(3.81di0.389d)(0.466) 式中式中 d、di分别为主管和支管外径；分别为主管和支管外径； i支管轴线与主管轴线的夹角。支管轴线与主管轴线的夹角。

28、（2）当由主管壁塑性铰线的失效模式控制时，对）当由主管壁塑性铰线的失效模式控制时，对X形节点，受压支管在管节点处的承载力设计值按下形节点，受压支管在管节点处的承载力设计值按下式计算：式计算：式中式中 n参数；参数； n1-0.3 -0.3( )2；当节点两；当节点两 侧或一侧主管受拉时，侧或一侧主管受拉时， n1。 t主管壁厚；主管壁厚； 支管轴线与主管轴线之夹角；支管轴线与主管轴线之夹角； f主管钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值；主管钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值； fy主管钢材的屈服强度；主管钢材的屈服强度； 节点两侧主管较小轴心压应力的绝对值。节点两侧主管较小轴心压应力的绝对值。 ftNnpjcX2sin)81. 01 (45. 5yfyf 与梁式结构体系相比，框架式体系比较经济，与梁式结构体系相比，框架式体系比较经济，且横梁高度可以取得比梁式结构的高度小，刚度且横梁高度可以取得比梁式结构的高度小，刚度也较大，常用于工业建筑。也较大，常用于工业建筑。 框架柱柱脚可以作成铰接，也可以作成刚接。框架柱柱脚