大跨度房屋结构

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网架结构网架结构的特点、适用范围

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网架的杆件与节点

杆件的材料一般用Q235钢和16Mn钢。16Mn钢强度高，塑性好，当荷载较大或跨度较大时，宜采用16Mn钢，可以减轻网架自重和节约钢材。网架常采用圆钢管、角钢、薄壁型钢作为杆件。圆钢管截面封闭，且各向同性，抗弯刚度各向都相同，回转半径大，抗扭刚度大，因此受力性能较好，承载力高。杆件优先选用圆钢管，且最好是薄壁钢管。但圆钢管的价格较高。因而对于中小跨度且荷载较小，也可采用角钢或薄壁型钢。杆件截面型式的选择主要与网架的网格形式和节点形式有关。对于交叉平面桁架体系，可选用角钢或圆钢管；对于角锥体系网架则应选择圆钢管；若采用钢板节点，宜选用角钢杆件；若采用焊接球节点、螺栓球节点，则应选用圆钢管杆件。

网架杆件一般情况下为轴心受力杆件，也可能为拉弯或压弯杆件，具体应根据钢结构设计规范进行承载能力极限状态和正常使用极限状态两方面的设计计算。图3-48钢板节点（a）角钢钢板节点(b)管筒米字型板节点图3-49焊接空心球图3-50螺栓球节点3.4网壳结构3.4.1网壳结构形式及选型

1网壳结构的常用形式2网壳结构的选型网壳结构的设计应根据建筑物的功能、平面形状和尺寸、网壳的支承方式、荷载大小、建筑构造与要求，综合考虑材料供应和施工条件以及制作安装方法，选择合理的网壳结构形式，以取得良好的技术经济效果。一般情况下，单层网壳结构由于稳定性较差，只适合于中、小跨度的建筑，而双层网壳适合于跨度大小40m的建筑。当网壳结构承受较大的非对称荷载或集中荷载时，对于单层网壳结构应选用球面短程线型—凯威特型、柱面双斜杆型和联方型等稳定性好的网格形式。网壳的矢高对结构受力性能影响很大，当网壳的跨度较小时，可选用矢高较小的双曲扁网壳或落地式的双曲抛物面网壳；当跨度较大时，应选用矢高较大的球面或柱面网壳。3.5悬索结构3.5.1悬索结构形式及选型1悬索结构的常用形式2悬索结构的选型

悬索结构的设计选型时，建筑物的功能、平面形状、结构跨度以及荷载大小等将是结构选型的主要考虑因素。通常矩形平面可采用单层单向悬索，承重索沿长边方向布置，或双层单向悬索，索沿短边向布置；在圆形平面中可采用单层或双层辐射状悬索及索网结构；在接近方形的平面和椭圆形平面中则选用索网结构较为合适。当平面为梯形或扇形，采用单层或双层悬索体系时，索的两端支点应按等距离设置，索系可按不平行布置。一般情况下，单层悬索结构体系由于形状稳定性较差宜采用重屋面或通过设置横向加劲构件来改善其工作性能。双层悬索体系、索网结构宜采用轻屋面，也可采用重屋面。双层单向悬索结构应设置足够的边缘支撑构件来加强结构的整体性。辐射状悬索结构布索时为了不使外环锚固孔过密而削弱环截面，上、下索宜错开布置，因此上、下索数量相等或呈倍数，以使外环受力均匀。

3.6其他新型空间结构1拉整体结构

图3-68张拉整体结构示意图图3-69美国亚特兰大奥运会主体育馆2混合空间结构

江西省体育馆屋盖结构拱—空间网架结构上海石化总厂附中体育馆拱支单层柱面网壳2．拱一空间网壳结构四川省体育馆3．拱一悬索混合结构沙特阿拉伯首都利雅德的法赫德国际体育场4．张拉薄膜结构5．斜拉混合结构上海八万人体育场深圳欢乐谷中心表演场6．三索一三桁架三结构安徽三省体三育馆三的索三—桁三架组三合屋三盖结三构(a三)三屋面三平面三结构三(三b)三纵三剖面三图3三开合三屋盖三结构1．三自承三式开三合屋三盖结三构2．三它承三式开三合屋三盖结三构3．三折叠三式开三合屋三盖结三构（a三）闭三合状三态三（三b）三开启三状态3-三85三日三本海三洋穹三顶闭合三状态三（b三）开三启状三态图3三-8三6三大分三体育三馆图3三-8三7福冈三穹顶桁架三形式图3三-1三平三面桁三架图3三-2三空三间桁三架图3三-3三预三应力三桁架屋盖三结构三用于三跨度三为5三0～三10三0m三时特三别经三济图3三-5三实三腹式三双铰三框架三（L=5三0～三60三m）三H=L/2三0～L/1三2图3三-6三格三构式三框架三（双三铰三、无三铰三）预应三力H三=L三/3三0～三L/三10图3三-7三折线三形格三构式三框架三（高三度1三5-三20三m）三H=三1/三25三～1三/1三5图3三-8三各种三预应三力框三架图3三-1三2三拱的三形式三(展三览馆三、体三育馆三、飞三机库三、仓三库)图3三-1三3三设有三抬高三拉杆三的拱（a三）双三铰拱三（三b）三三铰三拱三（c三）无三铰拱图3三-1三4三多三跨拱三(多三跨拱三常用三于火三车站三、展三览馆三及其三它类三似建三筑中三)相邻三跨的三横向三反力三大都三能相三互抵三消，三仅在三各跨三活荷三载不三等和三受风三荷载三作用三时，才受三弯，三因此三支座三的截三面不三大。图3三-1三8三网架三形式(a三)三平板三型网三架（三双层三）三（b三）壳三型网三架（三单层三、双三曲）三（三c）三壳型三网架三（单三层、三单曲三）图3三-2三0两三向正三交正三放网三架图3三-2三1两三向正三交斜三放网三架构造三简单三，便三于制三作安三装三,适三用于三正方三形，三近似正方三形的三建筑三平面三，跨三度以三30三~6三0m三的中三等跨三度为三宜适用三于建三筑平三面为三正方三形或长方三形的三中大三跨度三的情三况图3三-2三3两三向斜三交斜三放网三架图3三-2三4三三向三交叉三网架构造三复杂三，受三力性三能不三好，三因而三很少三采用三，一般三用于三建筑三平面三两方三向柱三距不三等的三情况节点三构造三比较三复杂三，适三用大三跨度三建筑（l>6三0m三），三特别三适用三于三三角形三，多边形三和圆三形的三建筑三平面图3三-2三5三三角三锥网三架图3三-2三6三抽空三三角三锥网三架三图3三-2三7三蜂窝三形三三角锥三网架网架三杆件三减少三，用三料较三省，三构造三也较三简单三，但空三间刚三度不三如前三者，三适用三于较三小跨三的三三角形三、六边三形和三圆形三平面三的建三筑上弦三平面三的六三边形三网格三增加三了屋三面板三布置三与屋三面找三坡的三困难三。这种三网架三适用三于中三、小三跨度三的周三边支三承的三六边三形、三矩形三和圆形平三面的三建筑图3三-2三8三正放三四角三锥网三架图3三-2三9三正放三抽空三四角三锥网三架受力三较均三匀，三空间三刚度三较好三，则三屋面三板规三格统三一，上下三弦杆三长度三相同三，制三作、三构造三简单三。但三杆件三数量多三，用三钢量三大些三，适三用于三建筑三平面三接近三正方三形平面三的中三、小三跨度三周边三支承三的情三况，三也适三用于三大柱网三，点三支承三、设三有悬三挂吊三车的三工业三厂房三的情三况节点三汇集三的杆三件数三目少三，构三造简三单。这种三网架三适用三于中三小跨三度和三矩形三平面的三建筑图3三-3三2三星形三四角三锥网三架上弦三杆比三下弦三杆短三，受三力合三理。但在三角部三上弦三杆可三能受三拉，三该处支三座可三能出三现拉三力。三这种三网架刚三度较三正放三四角三锥网三架差三，适用三于中三、小三跨度三周边三支承三的网三架图3三-3三3三棋盘三形四三角锥三网架适用三于狭三长矩三形平三面的三建筑（a三）（三锥尖三向下三）（b三）（三锥尖三向上三）图3三-3三5三六角三锥体三网架此种三网架三的杆三件多三，节三点构三造复三杂，屋面三板为三三角三形或三六角三形，三施工三较困三难，三现已三很少三采用（a三）三(b三)三(c三)三(三d)图3三-5三9三圆柱三面网三壳单层三网壳双层三网壳图3三-6三1三球面三网壳三的网三格图（a三）肋三环型三（三b）三肋环三斜杆三型三（c三）三三向网三格三（d三）扇三形三三向网三格（e三）葵三花形三三向三网格三（三f）三短程三线型（a三）三（b三）三（三a）三（三b）图3三-6三2三椭圆三抛物三面网三壳的三网格三图三3-三63三双三曲抛三物面三网壳三的网三格图3三-6三5三单层三悬索三体系图3三-6三6三双层三悬索三体系单层三单向三平行三布置单层三辐射三状布三置单层三网状三布置双层三单向三平行三布置双层三辐射三状布三置图3三-6三7三索三网结三构一、三国家三体育三场平面三为椭三圆形三,长三轴3三40三m短三轴2三92三m。三屋盖三中间三设开三口。三整体三承重三结构三由一三系列三门式三刚架三绕着三内环三旋转三而成三，这三种结三构布三置形三成一三种三三维空三间承三重体三系。可容三纳8三万人三（奥三运会三期间三可容三纳1三0万三人）三。二、三国家三游泳三中心国家三游泳三中心三建筑三体形三简单三，为三17三0m三x三1三70三m三x三29三m方三盒子三状，三屋盖三厚7三m，三墙厚三5.三4m三，可三容纳三1.三7万三人，三外墙三及屋三面的三填充三单元三是由三十二三面体三和十三四面三体组三合而三成的三异型三网格三或称三WP三多面三体（三We三ai三re三-p三he三la三n）三，然三后再三按一三定角三度斜三切成三水泡三状网三格。三既有三上弦三，也三有下三弦，三中间三为腹三杆。三网格三内外三均铺三设透三明的三ET三FE三充气三膜膜三枕，三赋以三整个三建筑三以晶三莹剔三透的三外表三，这三种结三构又三称之三为“三水立三方”三（W三at三er三C三ub三e）三。杆三件仍三用传三统的三方钢三管（三上下三弦）三及圆三钢管三（腹三杆）三，而三节点三大多三数为三我国三采用三最普三遍的三常规三和异三型焊三接空三心球三节点三。三、三国家三体育三馆国家三体育三馆在三建筑三空间三上划三分为三两个三大厅三，即三比赛三大厅三和训三练大三厅。三比赛三大厅三空间三平面三尺寸三为1三14三mX三14三4.三5m三，柱三顶高三度约三35三m、三43三m、三30三m，三训练三大厅三空间三平面三尺寸三为5三1m三X6三3m三，柱三顶高三度约三30三m、三22三.3三m。三屋三盖结三构采三用新三型空三间结三构双三向张三弦桁三架体三系。三下部三结构三为框三架抗三震墙三结构三与型三钢混三凝土三框架三—钢三支撑三相结三合的三混合三型结三构体三系。四、三天津三奥林三匹克三中心三体育三场天津三体育三场的三外观三造型三以具三有自三然形三态的三露珠三为主三题三,屋三顶结三构采三用钢三桁架三悬挑三结构三。屋三顶桁三架选三用V三字型三平行三弦桁三架悬三挑结三构，三(悬三挑长三度5三0m三,支三点间三距1三4m三)三。钢三结构三屋架三平面三呈扁三长椭三圆（三长轴三约4三71三米，三短轴三约3三70三米）三，整三个平三面沿三长轴三对称三，屋三面桁三架落三地，三形似三露珠三，内三圈和三外圈三铺设三玻璃三面板三，中三间部三分基三本为三金属三板，三但在三V型三桁架三之间三交替三铺设三玻璃三和金三属板三。五、三北京三老山三奥运三自行三车馆屋盖三结构三采用三双层三球面三网壳三结构三。网三壳跨三度1三33三.0三6m三，沿三周边三外挑三8.三23三8m三，矢三高1三4.三69三m，三总投三影面三积约三17三00三0m三2。三网壳三通过三24三对人三字型三柱支三承于三沿周三边均三匀分三布的三24三根钢三筋混三凝土三柱柱三顶，三人字三型柱三柱顶三设置三钢结三构圈三梁，三利用三网壳三外挑三部分三设置三圈梁三桁架三。钢三筋混三凝土三柱柱三顶标三高+三7.三15三m，三网壳三最高三点标三高+三35三.4三9m三。网三壳采三用四三角锥三网格三，最三大网三格尺三寸为三4.三96三m×三4.三24三m，三厚度三2.三8m三。六、三20三08三年奥三运会三篮球三馆（三五棵三松）屋盖三结构三平面三12三0m三×1三20三m采三用双三向正三交正三放桁三架组三成的三网架三，网三格一三般为三12三m三，支三于周三边2三0根三混凝三土柱三上，三并在三四边三柱向三共设三八道三交叉三支撑三。檐三高3三7.三3m三。杆三件截三面为三箱形三和H三型。三钢材三为Q三34三5C三，最三大板三厚5三0m三m，三总用三钢量三45三00三t，三施工三方法三采用三高空三累积三滑移三法，三液压三爬行三滑行三技术三（三三轨道三），三总滑三移重三35三00三t。七、三20三08三年奥三运羽三毛球三比赛三馆屋盖三形式三为弦三支穹三顶,三弦支三穹顶三系由三索穹三顶演三变而三来，三索穹三顶属三柔性三屋盖三，施三工难三度大三。弦三支穹三顶是三刚性三屋面三，由三单层三网架三组成三，单三层网三架虽三有稳三定问三题，三但加三上撑三杆及三预应三力索三形成三新的三弦支三穹顶三大大三地加三强了三稳定三，因三此弦三支穹三顶很三有推三广前三途。八、三20三08三