大跨建筑结构(大跨平面结构)13.2

大跨度结构参考书目：1.《大跨空间结构》张毅刚等编机械工业出版社；2.《大跨空间结构》完海鹰编中国建筑工业出版社；3.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91；4.《空间结构设计与施工》东南大学出版社；概述

大跨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、加盖体育场、航空港等。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。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。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，国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造均有特殊规定。我国目前最大跨度做到340m，以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，主要矛盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。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料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。主要分为两大类：平面结构体系梁式体系框架式体系拱式体系空间结构体系实体结构类：薄壳、折板结构张力结构类：悬索结构、膜结构混合结构类网格结构类：网架及网壳结构平面承重的大跨度钢结构1梁式结构体系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、下弦及腹杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量过大而不经济。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为1/6～1/8。

常用形式：（1）角钢（或T型钢）桁架（2）H型钢重型桁架*（3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）*

桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于35～40m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，横向反力一般由屋架下弦的弹性变形产生。*

上海证券大厦

连接两幢主楼的天桥桁架跨度63m，共支承着从17层至26层共8个楼层，采用了H型钢重型桁架。上海浦东国际机场上海浦东国际机场候机楼屋架梁跨度83m，跨中高度超过11m，单榀屋架梁重55吨。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，下弦布置了一根预应力钢索，对下弦施加足够的预应力。2框架结构体系

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。无铰框架刚度更好，用钢量省、便于安装，但这种框架对温度作用比较敏感，对基础及地基的要求较高。主要有实腹式和格构式两大类。

（1）实腹式框架结构体系

实腹式框架适用于跨度不太大（L=18～60m）的框架结构。它的优点是制作简单、便于运输，还能降低房屋高度。实腹框架常设计成铰接柱脚。由于框架支座弯矩的卸载作用使实腹框架的横梁高度不大，可取跨度的1/30～1/40。在我国得到大力发展的轻型门式刚架结构，是实腹式框架结构体系的一种，其特点是屋盖及墙体均采用压型钢板，结构主要承受自身的重量。

轻型门式刚架结构设计

门式刚架是一种有效利用材料的结构形式。由于构件尺寸小，房屋高度相应降低，减轻了建筑体积和重量。构件可以在工厂批量生产，工地安装用高强螺栓连接，简便而迅速，施工期短。同时，门武刚架造型简洁美观，在房屋建筑中可适用于覆盖大面积的单跨、多跨等厂房、仓库和各类公共建筑。1建筑特点（1）轻型化，屋盖及墙体均为压型钢板，以减轻建筑自重；（2）吊车吨位：

A1~A5工作级别的桥式吊车

20t；悬挂式起重机

3t。（3）常用跨度：1830m，高度4.5~9m。规程规定跨度可作到36m。2结构特点（1）主体结构采用门式刚架，刚架可以是单跨、双跨或多跨，还可带附跨。把中柱做成摇摆柱体现了材料集中使用的原则。（2）采用变化构件截面的手段以适应弯矩变化是门式刚架轻型化的技术措施之一。柱脚常用铰接，（当有桥式吊车时用等截面、柱脚固定）。（3）刚架间距一般6m左右，亦可采用7.5~9m，间距太大将增加檩条的用钢量。

温度区段长度：纵向300m；横向150m。

当不超过以上数值时，一般情况下可不考虑温度应力和温度变形的影响。柱间支撑的纵向水平刚度较单独柱大得多（约10～20倍），故厂房纵向温度变形的不动点接近于柱间支撑的中点（有两道柱间支撑时，为两支撑距离的中点）。新规范增加：“当有计算依据时，温度区段长度可适当加大”，是考虑到影响温度区段长度限值的因素较多，在规范中无法逐一反映，让设计人员根据具体情况考虑增减。当温度区段长度超过规范规定的数值时，应进行温度应力的计算或设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的两种做法：

a.在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔；

b.设置双柱。此外，吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。（4）刚架斜梁的坡度取决于屋面排水坡度，一般i=1/8~1/20。减小构件腹板厚度，一般腹板壁厚在4~10mm，（4mm是规程规定的下限），主要利用腹板截面的屈曲后强度。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002推荐采用Q235、Q345钢材。

（5）檩条采用冷弯薄壁型钢，截面一般为C型钢或Z型钢（坡度较大时，可以做到主轴与地面平行）。檩条壁厚一般1.5~3.0mm，1.5mm为规范规定的下限。新修定的国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002已取消了壁厚6mm上限的规定，板厚由设计者自行掌握（未试验），我国目前已能生产12.5mm厚的冷弯薄壁型钢。（6）支撑体系：必须设屋盖支撑系统和柱间支撑系统。屋盖支撑布置在温度区段的两端或端部第二开间（此时第一开间设刚性系杆）。柱间支撑设在与屋盖支撑相同的柱间，无吊车时，间距一般30~45m，不大于60m。有吊车时柱间支撑宜设在温度区段中部。

支撑一般为十字交叉，截面采用张紧的圆钢或小角钢。梁与柱的刚性连接节点当节点域计算不满足要求时，应加厚腹板或设置斜加劲肋。（7）门式刚架的柱脚构造（2）格构式框架结构体系

当跨度大于60m时，实腹式框架不太经济，此时可采用格构式，最大可做到150m。通常设计成变截面，框架横梁的高跨比在1/12～1/20范围内选取。

内力及变形的计算

当跨度不大时，格构式普通框架可以取换算刚度，折算成与其等效的实腹框架求解内力。当跨度较大时，必须考虑全部腹杆的变形进行计算。

框架横梁的挠度只需计算由可变荷载引起的，永久荷载产生的挠度可由结构的起拱来消除。当跨度大于50m且刚性柱（支座）不高时，须计入框架的温度应力。实腹框架的横梁与柱一般设计成焊接工字型截面，其承载能力按压弯构件计算。两铰框架中的框架柱可以作成沿高度变截面的形式，这样能充分利用截面强度，减轻结构自重。构造特点

a.框架负弯矩处下翼缘为防止平面外失稳，应加设斜撑。*b.在双铰框架结构中，为减小横梁中部的弯矩，可采用图中使横梁卸载的做法。

c.截面受力较小时可采用双角钢组合T形截面、T型钢截面；受力较大时可采用槽钢或工字钢截面。

d.因格构式框架受力较大，框架横梁与柱转角处比较合理的构造是在转角范围内做成实腹式并加加劲杆。

（3）拱式结构体系

拱式结构外形美观，体现了结构受力与建筑造型的完美结合，是大跨度钢结构中一种重要的形式。拱的特点（1）拱身主要承受轴力，当跨度较大（如超过80~100m）时，较梁式结构和框架式结构更经济。（2）形式有两铰拱、三铰拱和无铰拱。使用最多的是双铰拱，优点是安装和制造较简单，铰处可自由转动，温度应力也较低。无铰拱跨中弯矩分布最有利，但需要较强的基础，温度应力也较大。双铰拱三铰拱无铰拱

（3）拱的水平推力较大，对支座的要求较高。为减轻水平推力，可设置水平拉杆或采用橡胶支座。在加盖的体育场、展览馆以及飞机库里，拱的支座常常是房屋的墙体、看台等。没有横墙或看台的情况下则要求设置拱扶壁以承受拱的水平推力。（4）拱截面分实腹式和桁架式两种，一般为等截面。拱身所受弯矩较小，因而截面高度不大，实腹式可取l/50~l/80，桁架式可取l/30~l/60。拱截面可采用H型钢、双角钢、T型钢、槽钢、圆钢管和方钢管等。拱的设计（1）拱轴线的形状应尽可能选择与压力曲线接近。对称并沿拱弦线均布的荷载起主要作用时，宜采用二次抛物线（与弯矩图接近）。为简化拱的设计与制造，也可用圆弧代替，对扁平拱不会引起内力实质性的变化。对于自重很大的高拱，宜采用悬链线外形。在风荷载作用下，由于压力线变化较大，拱的外形宜取两极限压力线的中间线。

（2）风荷载是拱结构计算中一项非常重要的荷载，特别应注意风吸力对拱结构的影响，还应考虑侧风压或端风压作用在建筑物上的情况。

（3）平面的拱式结构为一受压曲杆，应按压弯杆件设计，拱在弯矩作用平面内需要验算强度和稳定性。因曲杆平衡微分方程的求解比较困难，目前只能按弹性方法近似求解杆件的临界力，现行规范暂时还没有曲杆计算长度取值的规定。拱的计算长度系数与拱的形状、拱的矢高f与拱跨l的比值有关（4）拱在弯矩作用平面外的刚度如果与平面内相差很大，受压时容易产生平面外的失稳，应利用沿房屋长度方向设置的横向支撑系统及檩条体系作为平面外的支撑点。同时，还应按压弯杆件验算平面外的稳定。

（5）拱的支座铰可以有不同的形式。拱脚的构造

（6）三铰拱中的拱顶铰是构造设计的难点，格构式拱在支座铰和拱顶铰的部位，其截面需改变为实腹式，同时还需设置适当的加劲肋，以传递较大的集中反力。重庆市武警总队训练场（跨度61.4m）重庆出口加工区卡口

压型钢板波纹拱屋盖也是拱式结构的一种，最大跨度可做到60m，造价极低，且施工速度快。缺点是隔热保温效果差，在不对称荷载和集中荷载作用下宜丧失整体稳定。达州市体育场效果图

达州市体育场看台挑棚采用了在节