大跨度房屋结构T51

第3章大跨度房屋结构

3.1概述应用范围1、大会堂2、剧院3、体育馆4、市场5、航空港7、工厂、仓库、造船厂

结构形式1、平面结构体系（50~70m）梁式结构（平面桁架和空间桁架）、平面刚架和拱式结构2、空间结构体系（100~200m）网架结构、网壳结构、悬索结构和张拉整体结构以及混合结构3.2.1梁式大跨结构——桁架（1）桁架的形式

平面桁架（40～60m）、空间桁架（100m）

（2）梁式体系屋盖布置（简单式、复杂式）P1063.2.2框架结构(1)框架的形式:实腹式和格构式(两铰及无铰框架)(2)框架式结构的布置横向框架布置(P108)纵向框架布置(P108)双面框架布置(P108)

3.2平面结构体系3.2.3拱结构(1)拱的形式

(2)拱式结构的布置

3.3网架结构3.3.1网架结构的特点、适用范围

3.3.2网架的结构形式及选型(1)网架结构的几何不变性分析

(2)网架的组成(网架是由上弦杆、下弦杆两个表面及上下弦面之间的腹杆组成，一般称为双层网架，最为常用)(3)网架的结构形式(交叉桁架体系网架、角锥体系网架）网架的结构选型：安全可靠、技术先进、经济合理、美观适用3.3.3网架的主要尺寸（1）网架的高度（网架的跨度、屋面荷载、平面形状、支承条件及设备管道）主要取决于网架的跨度可按表3-1来确定（2）网格尺寸（上弦网格尺寸）按表3-1定3.3.4作用和荷载组合（1）永久荷载（网架自重，楼面或屋面自重，保温层、防水层、吊顶、设备管道等材料的自重）双层网架结构的自重可按下列经验公式估算：（3—2）（2）可变荷载

网架结构上的可变荷载主要有屋面或楼面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载以及吊车荷载。其中在荷载组合时，雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑，取两者的较大值。屋面或楼面活荷载的取值，可根据实际使用情况查现行荷载规范确定。在荷载组合时，雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑，取两者的较大值。积灰荷载的取值，应考虑厂房性质，由生产工艺提出，或按荷载规范规定参考采用。风荷载应根据实际情况考虑风荷载的影响。例如，对于周边支承，且支座节点在上弦的网架的风荷载由四周墙承受，计算时可不考虑风荷载。吊车荷载标准值按现行荷载规范有关规定确定。（3）温度作用温度作用是指由于温度变化，会引起杆件的伸长或缩短，如果这种温度变形受到约束，网架杆件将产生附加温度应力，必须在计算和构造措施中加以考虑。当网架结构符合P120条件之一者，可不考虑温度变化而引起的内力。

（4）地震作用

一般情况下，在抗震设防烈度为6度或7度的地区，网架屋盖结构可不进行竖向抗震验算；在抗震设防烈度为8度或9度的地区，网架屋盖结构应进行竖向抗震验算。3.3.4.2荷载效应组合1.承载能力极限状态对于承载能力极限状态，应按下列组合值中取最不利值进行设计。对于非抗震设计时，结构构件的荷载效应组合的设计值应按下式计算：1）由可变荷载效应控制的组合2）由永久荷载效应控制的组合（3-4）（3-5）

对于抗震设计时，结构构件的地震作用效应和其他荷载效应组合的设计值应按下式计算：2.正常使用极限状态

（3-6）（3-7）网架结构的容许挠度不应超过下列数值：用作屋盖——L/250；用作楼盖——L/300，L为网架的短向跨度。当网架结构的最大挠度值不满足容许挠度限值时。需要重新调整结构刚度或通过适当起拱的方法来解决。有起拱要求时，其挠度不得大于短向跨度的1/300。3.3.5网架结构的计算方法1）空间桁架位移法空间桁架位移法（空间杆系有限元法）以网架结构的杆件作为基本单元，以节点位移作为基本未知量。先对杆件单元进行分析，根据虎克定律建立单元杆件内力与节点位移之间的关系，形成单元刚度矩阵。然后再对结构进行整体分析，根据各节点的变形协调条件和静力平衡条件建立结构上的节点荷载和节点位移之间的关系，形成结构的总刚度矩阵和总刚度方程。求解引入给定边界条件后的总刚度方程，得出各节点的位移值。最后，由单元杆件内力与节点位移之间的关系求出杆件内力。空间桁架位移法是目前空间杆系结构计算精度最高的一种方法（实践证明计算结果与试验值极为接近），适用于各种类型、各种平面形状、不同边界条件的网架，静力荷载、地震作用、温度作用等工况均可计算，也可同时考虑网架与下部支承的共同作用。

2）交叉梁系差分法交叉梁系差分法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架的计算。3）拟夹层板法拟夹层板法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或角锥网架的计算，此法可考虑剪切变形和刚度变化的影响。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。

3.3.7网架的的杆件件与节节点杆件的的材料料一般般用Q235钢和16Mn钢。16Mn钢强度度高，，塑性性好，，当荷荷载较较大或或跨度度较大大时，，宜采采用16Mn钢，可可以减减轻网网架自自重和和节约约钢材材。网架常常采用用圆钢钢管、、角钢钢、薄薄壁型型钢作作为杆杆件。。圆钢钢管截截面封封闭，，且各各向同同性，，抗弯弯刚度度各向向都相相同，，回转转半径径大，，抗扭扭刚度度大，，因此此受力力性能能较好好，承承载力力高。。杆件件优先先选用用圆钢钢管，，且最最好是是薄壁壁钢管管。但但圆钢钢管的的价格格较高高。因因而对对于中中小跨跨度且且荷载载较小小，也也可采采用角角钢或或薄壁壁型钢钢。杆件截截面型型式的的选择择主要要与网网架的的网格格形式式和节节点形形式有有关。。对于于交叉叉平面面桁架架体系系，可可选用用角钢钢或圆圆钢管管；对对于角角锥体体系网网架则则应选选择圆圆钢管管；若若采用用钢板节节点，宜选选用角角钢杆杆件；；若采采用焊焊接球球节点点、螺螺栓球球节点点，则则应选选用圆圆钢管管杆件件。网架杆杆件一一般情情况下下为轴轴心受受力杆杆件，，也可可能为为拉弯弯或压压弯杆杆件，，具体体应根根据钢钢结构构设计计规范范进行行承载载能力力极限限状态态和正正常使使用极极限状状态两两方面面的设设计计计算。。图3-48钢板节节点（a）角钢钢钢板板节点点(b)管筒米米字型型板节节点图3-49焊接空空心球球图3-50螺栓球球节点点3.4网壳结结构3.4.1网壳结结构形形式及及选型型1网壳结结构的的常用用形式式2网壳结结构的的选型型网壳结结构的的设计计应根根据建建筑物物的功功能、、平面面形状状和尺尺寸、、网壳壳的支支承方方式、、荷载载大小小、建建筑构构造与与要求求，综综合考考虑材材料供供应和和施工工条件件以及及制作作安装装方法法，选选择合合理的的网壳壳结构构形式式，以以取得得良好好的技技术经经济效效果。。一般情情况下下，单单层网网壳结结构由由于稳稳定性性较差差，只只适合合于中中、小小跨度度的建建筑，，而双双层网网壳适适合于于跨度度大小小40m的建筑筑。当当网壳壳结构构承受受较大大的非非对称称荷载载或集集中荷荷载时时，对对于单单层网网壳结结构应应选用用球面面短程程线型型—凯威特特型、、柱面面双斜斜杆型型和联联方型型等稳稳定性性好的的网格格形式式。网壳的的矢高高对结结构受受力性性能影影响很很大，，当网网壳的的跨度度较小小时，，可选选用矢矢高较较小的的双曲曲扁网网壳或或落地地式的的双曲曲抛物物面网网壳；；当跨跨度较较大时时，应应选用用矢高高较大大的球球面或或柱面面网壳壳。3.5悬索结结构3.5.1悬索结结构形形式及及选型型1悬索结结构的的常用用形式式2悬索结结构的的选型型悬索结结构的的设计计选型型时，，建筑筑物的的功能能、平平面形形状、、结构构跨度度以及及荷载载大小小等将将是结结构选选型的的主要要考虑虑因素素。通常矩矩形平平面可可采用用单层层单向向悬索索，承承重索索沿长长边方方向布布置，，或双双层单单向悬悬索，，索沿沿短边边向布布置；；在圆圆形平平面中中可采采用单单层或或双层层辐射射状悬悬索及及索网网结构构；在在接近近方形形的平平面和和椭圆圆形平平面中中则选选用索索网结结构较较为合合适。。当平平面为为梯形形或扇扇形，，采用用单层层或双双层悬悬索体体系时时，索索的两两端支支点应应按等等距离离设置置，索索系可可按不不平行行布置置。一般情情况下下，单单层悬悬索结结构体体系由由于形形状稳稳定性性较差差宜采采用重重屋面面或通通过设设置横横向加加劲构构件来来改善善其工工作性性能。。双层层悬索索体系系、索索网结结构宜宜采用用轻屋屋面，，也可可采用用重屋屋面。。双层单单向悬悬索结结构应应设置置足够够的边边缘支支撑构构件来来加强强结构构的整整体性性。辐辐射状状悬索索结构构布索索时为为了不不使外外环锚锚固孔孔过密密而削削弱环环截面面，上上、下下索宜宜错开开布置置，因因此上上、下下索数数量相相等或或呈倍倍数，，以使使外环环受力力均匀匀。3.6其他新新型空空间结结构1拉整体体结构构图3-68张拉整整体结结构示示意图图图3-69美国亚亚特兰兰大奥奥运会会主体体育馆馆2混合空空间结结构江西省体育馆屋盖结构拱—空间网网架结结构上海石石化总总厂附附中体体育馆馆拱支支单层层柱面面网壳壳2．拱一一空间间网壳壳结构构四川省省体育育馆3．拱一一悬索索混合合结构构沙特阿阿拉伯伯首都都利雅雅德的的法赫赫德国国际体体育场场4．张拉拉薄膜膜结构构5．斜拉拉混合合结构构上海八八万人人体育育场深圳欢欢乐谷谷中心心表演演场6．索一一桁架架结构构安徽省省体育育馆的的索—桁架组组合屋屋盖结结构(a)屋面平平面结结构(b)纵剖面面图3开合屋屋盖结结构1．自承承式开开合屋屋盖结结构2．它承承式开开合屋屋盖结结构3．折叠叠式开开合屋屋盖结结构（a）闭合合状态态（（b）开启启状态态3-85日本海海洋穹穹顶闭合状状态（（b）开启启状态态图3-86大分体体育馆馆图3-87福冈穹穹顶桁架形形式图3-1平面桁桁架图3-2空间桁桁架图3-3预应力力桁架架屋盖结结构用用于跨跨度为为50～100m时特别别经济济图3-5实腹式式双铰铰框架架（L=50～60m）H=L/20～L/12图3-6格构式式框架架（双双铰、、无无铰））预应力力H=L/30～L/10图3-7折线形形格构构式框框架（（高度度15-20m）H=1/25～1/15图3-8各种预预应力力框架架图3-12拱的形形式(展览馆馆、体体育馆馆、飞飞机库库、仓仓库)图3-13设有抬抬高拉拉杆的的拱（a）双铰铰拱（（b）三铰铰拱（（c）无铰铰拱图3-14多跨拱拱(多跨拱拱常用用于火火车站站、展展览馆馆及其其它类类似建建筑中中)相邻跨跨的横横向反反力大大都能能相互互抵消消，仅仅在各各跨活活荷载载不等等和受受风荷荷载作作用时时，才受弯弯，因因此支支座的的截面面不大大。图3-18网架形形式(a)平板型型网架架（双双层））（（b）壳型型网架架（单单层、、双曲曲）（（c）壳型型网架架（单单层、、单曲曲）图3-20两向正正交正正放网网架图3-21两向正正交斜斜放网网架构造简简单，，便于于制作作安装装,适用于于正方方形，，近似似正方形形的建建筑平平面，，跨度度以30~60m的中等等跨度度为宜宜适用于于建筑筑平面面为正正方形形或长方形形的中中大跨跨度的的情况况图3-23两向斜斜交斜斜放网网架图3-24三向交交叉网网架构造复复杂，，受力力性能能不好好，因因而很很少采采用，，一般用用于建建筑平平面两两方向向柱距距不等等的情情况节点构构造比比较复复杂，，适用用大跨跨度建建筑（l>60m），特特别适适用于于三角角形，，多边形和和圆形形的建建筑平平面图3-25三角锥锥网架架图3-26抽空三三角锥锥网架架图图3-27蜂窝形形三角角锥网网架网架杆杆件减减少，，用料料较省省，构构造也也较简简单，，但空间间刚度度不如如前者者，适适用于于较小小跨的的三角角形、、六边形形和圆圆形平平面的的建筑筑上弦平平面的的六边边形网网格增增加了了屋面面板布布置与与屋面面找坡坡的困困难。。这种网网架适适用于于中、、小跨跨度的的周边边支承承的六六边形形、矩矩形和和圆形平面面的建建筑图3-28正放四四角锥锥网架架图3-29正放抽抽空四四角锥锥网架架受力较较均匀匀，空空间刚刚度较较好，，则屋屋面板板规格格统一一，上下弦弦杆长长度相相同，，制作作、构构造简简单。。但杆杆件数数量多，，用钢钢量大大些，，适用用于建建筑平平面接接近正正方形形平面的的中、、小跨跨度周周边支支承的的情况况，也也适用用于大大柱网，，点支支承、、设有有悬挂挂吊车车的工工业厂厂房的的情况况节点汇汇集的的杆件件数目目少，，构造造简单单。这种网网架适适用于于中小小跨度度和矩矩形平平面的建建筑图3-32星形四四角锥锥网架架上弦杆杆比下下弦杆杆短，，受力力合理理。但在角角部上上弦杆杆可能能受拉拉，该该处支座座可能能出现现拉力力。这这种网网架刚度度较正正放四四角锥锥网架架差，，适用于于中、、小跨跨度周周边支支承的的网架架图3-33棋盘形形四角角锥网网架适用于于狭长长矩形形平面面的建建筑（a）（锥锥尖向向下））（b）（锥锥尖向向上））图3-35六角锥锥体网网架此种网网架的的杆件件多，，节点点构造造复杂杂，屋面板板为三三角形形或六六角形形，施施工较较困难难，现现已很很少采采用（a）(b)(c)(d)图3-59圆柱面面网壳壳单层网网壳双层网网壳图3-61球面网网壳的的网格格图（a）肋环环型（（b）肋环环斜杆杆型（（c）三向向网格格（（d）扇形形三向向网格格（e）葵花花形三三向网网格（（f）短程程线型型（a）（（b）（（a）（（b）图3-62椭圆抛抛物面面网壳壳的网网格图图3-63双曲抛抛物面面网壳壳的网网格图3-65单层悬悬索体体系图3-66双层悬悬索体体系单层单单向平平行布布置单层辐辐射状状布置置单层网网状布布置双层单单向平平行布布置双层辐辐射状状布置置图3-67索网结结构一、国国家体体育场场平面为为椭圆圆形,长轴340m短轴292m。屋盖盖中间间设185.3mX127.5m开口。。整体体承重重结构构由一一系列列门式式刚架架绕着着内环环旋转转而成成，这这种结结构布布置形形成一一种三三维空空间承承重体体系。。可容纳纳8万人（（奥运运会期期间可可容纳纳10万人））。二、国国家游游泳中中心国家游游泳中中心建建筑体体形简简单，，为170mx170mx29m方盒子子状，，屋盖盖厚7m，墙厚厚5.4m，可容容纳1.7万人，，外墙墙及屋屋面的的填充充单元元是由由十二二面体体和十十四面面体组组合而而成的的异型型网格格或称称WP多面体体（Weaire-phelan），然然后再再按一一定角角度斜斜切成成水泡泡状网网格。。既有有上弦弦，也也有下下弦，，中间间为腹腹杆。。网格格内外外均铺铺设透透明的的ETFE充气膜膜膜枕枕，赋赋以整整个建建筑以以晶莹莹剔透透的外外表，，这种种结构构又称称之为为“水水立方方”（（WaterCube）。杆杆件仍仍用传传统的的方钢钢管（（上下下弦））及圆圆钢管管（腹腹杆）），而而节点点大多多数为为我国国采用用最普普遍的的常规规和异异型焊焊接空空心球球节点点。三、国国家体体育馆馆国家体体育馆馆在建建筑空空间上上划分分为两两个大大厅，，即比比赛大大厅和和训练练大厅厅。比比赛大大厅空空间平平面尺尺寸为为114mX144.5m，柱顶顶高度度约35m、43m、30m，训练练大厅厅空间间平面面尺寸寸为51mX63m，柱顶顶高度度约30m、22.3m。屋屋盖结结构采采用新新型空空间结结构双双向张张弦桁桁架体体系。。下下部部结构构为框框架抗抗震墙墙结构构与型型钢混混凝土土框架架—钢支撑撑相结结合的的混合合型结结构体体系。。四、天天津奥奥林匹匹克中中心体体育场场天津体体育场场的外外观造造型以以具有有自然然形态态的露露珠为为主题题,屋顶结结构采采用钢钢桁架架悬挑挑结构构。屋屋顶桁桁架选选用V字型平平行弦弦桁架架悬挑挑结构构，(悬挑长长度50m,支点间间距14m)。钢结结构屋屋架平平面呈呈扁长长椭圆圆（长长轴约约471米，短短轴约约370米），，整个个平面面沿长长轴对对称，，屋面面桁架架落地地，形形似露露珠，，内圈圈和外外圈铺铺设玻玻璃面面板，，中间间部分分基本本为金金属板板，但但在V型桁架架之间间交替替铺设设玻璃璃和金金属板板。五、北北京老老山奥奥运自自行车车馆屋盖结结构采采用双双层球球面网网壳结结构。。网壳壳跨度度133.06m，沿周周边外外挑8.238m，矢高高14.69m，总投投影面面积约约17000m2。网壳壳通过过24对人字字型柱柱支承承于沿沿周边边均匀匀分布布的24根钢筋筋混凝凝土柱柱柱顶顶，人人字型型柱柱柱顶设设置钢钢结构构圈梁梁，利利用网网壳外外挑部部分设设置圈圈梁桁桁架。。钢筋筋混凝凝土柱柱柱顶顶标高高+7.15m，网壳壳最高高点标标高+35.49m。网壳壳采用用四角角锥网网格，，最大大网格格尺寸寸为4.96m×4.24m，厚度度2.8m。六、2008年奥运运会篮篮球馆馆（五五棵松松）屋盖结结构平平面120m××120m采用双双向正正交正正放桁桁架组组成的的网架架，网网格一一般为为12m，支于于周边边20根混凝凝土柱柱上，，并在在四边边柱向向共设设八道道交叉叉支撑撑。檐檐高37.3m。杆件件截面面为箱箱形和和H型。钢钢材为为Q345C，最大大板厚厚50mm，总用用钢量量4500t，施工工方法法采用用高空空累积积滑移移法，，液压压爬行