1、第九章 大跨度屋盖结构3.1 结构形式大跨结构按几何形状、组成方法、结构材料及受力特点的不同可分为：平面结构体系：梁式结构（平面、空间桁架）、平面刚架、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。空间桁架：空间桁架：门式刚架结构门式刚架结构拱结构平板网架平板网架网壳结构网壳结构旧金山金门大桥塔高227米，每根钢索重6412公吨，由27000根钢丝绞成，重2.45万吨。广东省博物馆新馆采用巨型桁架悬吊结构体系，在中部沿边长67.5米的方形四周布置钢骨混凝土剪力墙，在剪力墙上端设置8榀跨度为67.5米且两端各悬挑23米、高6.5米的大型空间钢桁架，沿悬臂桁架
2、外端设4榀封口桁架，再在封口桁架下伸边长6米的箱型钢吊杆，悬吊34层楼面体系。这种悬吊结构体系，在国内尚属罕见，在境外也只有德国宝马汽车大厦、香港汇丰银行等极少个案。香港沙田马场张拉整体式结构 张拉整体式结构 图图2 2 张拉整体结构张拉整体结构3.2 网架的形式按层数分：双层网架：由上弦、下弦、腹杆组成的空间结构；三层网架：由上弦、中弦、下弦、上腹杆、下腹杆、组成的空间结构。三层网架的特点：优点：高度大、弦杆内力小、网格尺寸小、腹杆长度小、较大跨度时用钢量较双层省。缺点：节点和杆件数量多、中层节点所连杆件多、构造复杂、造价有所提高。一、网架结构的几何不变性分析网架结构几何不变的必要条件是J网
3、架的节点数；m网架的杆件数；r支座约束链杆数，r6；W0网架为几何不变体系；W=0网架无多余杆件，如杆件布置合理，为静定结构W0网架有多余杆件，如杆件布置合理，为超静定结构30WJmr 网架结构几何不变的充分条件一般可通过对结构的总刚度矩阵来判断。满足下列条件之一者，该刚架结构为几何可变体系：引入边界条件后，总刚度K中对角线上出现零元素，则与之对应的节点为几何可变；引入边界条件后，总刚度矩阵行列式K=0，该矩阵奇异，结构为几何可变。二、双层网架的常用形式1、平面桁架系网架特点：上、下弦长度相等，上下弦杆与腹杆位于同一垂直平面内。一般情况下竖杆受压，斜杆受拉。斜腹杆与弦杆夹角宜在4060之间。(
4、1)两向正交正放网架矩形建筑平面中，网架的弦杆垂直于及平行于边界；两个方向网格数宜布置成偶数，如为奇数，桁架中部节间应做成交叉腹杆；对周围支承网架宜在水平支承面内设斜撑杆；对点支承网架应在支承平面内沿主桁架的两侧设置水平斜撑杆；对周边支承者，平面尺寸越接近正方形，两向桁架杆件内力越接近，空间作用越明显。随建筑平面边长比的增大，短向传力作用明显增大。厦门国际会展中心厦门国际会展中心 8181米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦标高为10.55米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为27米，沿横向间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶，由于该区屋面为屋顶花园，屋面活荷载按8.0KN/m2
5、设计,故屋盖承重结构选用钢桁架,并且正交桁架高度相等,弦杆为刚接,在纵向垂直支撑、系杆的保证作用下形成空间桁架结构体系。厦门国际会展中心厦门国际会展中心(2)两向正交斜放网架概念：两个方向的平面桁架垂直相交。用于矩形建筑平面时，两向桁架与边界夹角为45。特点：有可靠边界时，体系是几何不变的；各榀桁架的跨度长短不等，靠近角部的桁架跨度小，对与它垂直的长桁架起支承作用，减小了长桁架跨中弯矩，长桁两端要产生负弯矩和支座拉力。周边支承时，有长桁架通过角支点和避开角支点两种布置；通过角支点：对四角支座产生较大的拉力；避开角支点：角部拉力可由两个支座分担。由角部两个柱子共同承担，避免拉力集中。适用范围：任
6、意尺寸的矩形建筑平面；中等跨度：3060米；大跨度：60米以上。（3）三向网架概念：由三个方向平面桁架按60角相互交叉而成，上下弦平面内的网格均为几何不变的三角形。特点：网架空间刚度大，受力性能好，内力分布也较均匀，但汇交于一个节点的杆件最多可达13根；节点构造较复杂，宜采用钢管杆件及焊接空心球节点；三向网架适用于大跨度(L60m)的多边形及圆形平面。用于中小跨度(L60m)时，不够经济。2、四角锥体系网架概念：由若干倒置的四角锥按一定规律组成。网架上下弦平面均为方形网格，下弦节点均在上弦网格形心的投影线上，与上弦网格四个节点用斜腹杆相连。(1)正放四角锥网架建筑平面为矩形时，其上、下弦杆均与
7、边界平行或垂直；上下弦节点各连接8根杆件，构造较统一；若网格两个方向尺寸相等且腹杆与下弦平面夹角为45，上下弦杆和腹杆长度均相等；间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量大；适用于接近方形的中小跨度，宜采用周边支承。(2)正放抽空四角锥网架由正放四角锥网架适当抽掉一些腹杆和下弦杆，如每隔一个网格抽去斜腹杆和下弦杆，使下弦网格的宽度等于上弦网格的二倍，从而减小杆件数量，降低了用钢量，但刚度较正放四角锥网架弱一些。在抽空部位可设置采光或通风天窗。由于周边网格不宜抽杆，两个方向网格数宜取奇数。(3)棋盘形四角锥网架 在正放四角锥网架基础上，保持周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空。上弦杆为正交正放，下弦杆与
8、边界成45角，为正交斜放。特点：上弦短杆受压，下弦长杆受拉，节点汇交杆件少；适用于小跨度周边支承情况。(4)斜放四角锥网架概念：将正放四角锥上弦杆相对于边界转动45放置，则得到斜放四角锥网架。上弦网格呈正交斜放，下弦网格为正交正放。特点：网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理；下弦节点连接8根杆，上弦节点只连6根杆；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。(5)星形四角锥网架：组成单元形似一星体。将四角锥底面的四根杆用位于对角线上的十字交叉杆代替，并在中心加设竖杆，即组成星形四角锥。特点：十字交叉杆与边界成45角，构成网架上弦，呈正交斜放。下弦杆呈正交正放。腹杆与上弦杆在同一竖向
9、平面内。星形网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。当网架高度等于上弦杆长度时，上弦杆与竖杆等长，斜腹杆与下弦杆等长。3、三角锥体系网架 概念：组成基本单元是锥底为正三角形的倒置三角锥。锥底三条边为网架上弦杆，棱边为网架的腹杆，连接锥顶的杆件为网架下弦杆。三角锥网架主要有三种形式：(1)三角锥网架：三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格，上下弦节点各连9根杆件。当网架高度为网格尺寸的（2/3）0.5倍时，上下弦杆和腹杆等长。三角锥网架受力均匀，整体性和抗扭刚度好，适用于平面为多边形的大中跨度建筑。(2)抽空三角锥网架概念：保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和
10、下弦杆即可。抽杆的方法是沿网架周边一圈的网格不抽杆，内部从第二圈开始沿三个方向每间隔一个网格抽掉部分杆，则下弦网格成为多边形的组合。特点：抽杆后，网架空间刚度受到削弱。下弦杆数量减少，内力较大。适用于平面为多边形的中小跨度建筑。(3)蜂窝形三角锥网架上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。腹杆与下弦杆位于同一竖向平面内。节点、杆件数量都较少，适用于周边支承，中小跨度屋盖。蜂窝形三角锥网架本身是几何可变的，借助于支座水平约束来保证其几何不变。三、网架选型 跨度：按网架结构设计与施工规程JGJ791的划分：60m以上为大跨度；中跨度为3060m；小跨度为30m以下。选型一般结合：工程的平面形状
11、、建筑要求、荷载、跨度的大小、支承情况、造价等因素综合分析确定。一般情况的选型可遵循下列原则：平面形状为矩形的周边支承网架，当其长边/短边小于或等于15时，宜选用：A、正放或斜放四角锥网架；B、棋盘形四角锥网架；C、正放抽空四角锥网架；D、两向正交斜放或正放网架。E、对中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形三角锥网架。平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比（长边/短边）大于1.5时，宜选用：A、两向正交正放网架；B、正放四角锥网架；C、正放抽空四角锥网架。D、当边长比不大于2时，也可用斜放四角锥网架。平面形状为矩形、多点支承的网架，可选用正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架，两向正交正放网架
12、。对多点支承和周边支承相结合的多跨网架还可选用两向正交斜放网架或斜放四角锥网架。平面形状为圆形、正六边形及接近正六边形且为周边支承网架，可选用三向网架，三角锥网架或抽空三角锥网架。对中小跨度也可选用蜂窝形三角锥网架。中船9院设计的大连造船新厂钢配中心四、网架结构的支承 网架的支承方式有周边支承、点支承、周边支承与点支承相结合，两边和三边支承等。(1)周边支承：网架四周全部或部分边界节点设置支座，支座可支承在柱顶或圈梁上，网架受力类似于四边支承板，是常用的支承方式。为了减小弯矩，也可将周边支座略为缩进，接近于点支承。(2)点支承：整个网架支承在多个支承柱上，点支承网架受力与钢筋混凝土无梁楼盖相似
13、，为减小跨中正弯矩及挠度，设计时应尽量带有悬挑，悬挑长度可取跨度的l/41/3。点支承网架与柱子相连宜设柱帽以减小冲剪作用。柱帽可设置于下弦平面之下，也可设置于上弦平面之上。当柱子直接支承上弦节点时，也可在网架内设置伞形柱帽，这种柱帽承载力较低，适用于中小跨度网架。(3)平面尺寸很大的建筑物，除在网架周边设置支承外，可在内部增设中间支承，以减小网架杆件内力及挠度。(4)在工业厂房的扩建端、飞机库、船体车间、剧院舞台口等不允许在网架的一边或两边设柱子时，需将网架设计成三边支承一边自由或两边支承两边自由的形式。对这种网架应采取设置边桁架，局部加大杆件截面或局部三层网架等措施加强其开口边的刚度。五、
14、网架高度及网格尺寸 网架高度：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。下列情况时，网架高度大些：A、屋面荷载较大、跨度较大时；B、狭长平面时，单向传力明显时；C、点支承网架；D、网架中有穿行管道时。网格尺寸：与网架高度关系密切。A、斜腹杆与弦杆夹角在4055之间为宜；B、网格尺寸要与屋面材料相适应，直接铺设钢筋混凝土板时尺寸不宜大于3m。C、若采用有檩体系时，檩条长度一般不超过6m。对周边支承的各类网架高度及网格尺寸按下表选用。六、网架的挠度要求及屋面排水坡度 (1)容许挠度：用作屋盖：L2250；用作楼面：L2300。(2)屋面排水坡度一般为3一5，找坡办法：(a)上弦节点
15、设不等长的小立柱，立柱要注意稳定性；(b)对网架起拱；(c)采用变高度网架；(d)有起拱要求的网架，其拱应可取不大于短向跨度的1300。3.3 网架的计算要点一、直接作用(荷载)和间接作用 1、网架结构的永久荷载有：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。；对型钢杆件网架取取系数，对钢管杆件网架；网络的短向跨度，）准值（载（或楼面荷载）的标除网架自重外的屋面荷式中：）估算公式：（双层网架自重2.10.1/200/2222mLmkNqLqqmkNqwwokok2、网架结构的可变荷载有：屋面(或楼面)活荷载；雪荷载(雪荷载不应与屋面活荷载同时组合)；风荷载，由于网架刚度较
16、大，自振周期较小，计算风载时可不考虑风振系数的影响；积灰荷载；吊车荷载(工业建筑有吊车时考虑)。3、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。4、在抗震设防烈度为7度的地区，可不进行网架结构水平抗震验算；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。5、网架结构符合下列条件之一者，可不考虑由于温度变化而引起的内力：(a)支座节点的构造允许网架侧移，且侧移值不小于计算值；(b)周边支承的网架，当网架验算方向跨度小于
17、40m，且支承结构为独立柱或砖壁柱；(c)在单位力作用下，柱顶位移大于或等于计算值。(6)如果需要考虑温度变化引起的网架内力，可采用空间桁架位移法，或近似计算方法。(7)对非抗震设计的网架，荷载及荷载效应组合应按国家标准建筑结构荷载规范GB 500092001的规定进行计算。(8)对抗震设计的网架，荷载及荷载效应组合尚应符合国家标准建筑抗震设计规范的规定。二、网架内力分析方法(1)空间桁架位移法(空间杆系有限元法)：计算精度最高，适用于各种类型、各种支承条件的网架计算。(2)交叉梁系差分法：是一种简化计算方法，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
18、：是一种简化计算方法，用于跨度在40m以下的由平面桁架系或锥体组成的网架计算。(4)假想弯矩法：简化计算方法，可用于斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架的估算。3.4 空间杆系有限元法 也叫空间桁架位移法，分析时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。一、基本假定：1、网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力；2、结
19、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。二、空间杆系有限元法计算步骤：1、根据网架结构、荷载对称性选取计算简图，并对其节点和杆件进行编号，节点编号应遵循相邻节点号差最小的原则；2、计算杆件单元长度及杆件与整体坐标轴夹角余弦；3、初选各杆的截面面积；4、建立局部和整体坐标系下的单元刚度矩阵；5、集合总刚度矩阵；6、建立荷载列阵；7、引入边界条件对总刚度方程进行处理；8、求解总刚度方程，得出各节点位移值；9、根据节点位移计算杆件内力；10、依杆件内力调整杆件截面，并重新计算，迭代次数宜少于4到5次。一般采用圆管：高频焊接管或无缝钢管。优点：在截面积相同的条件下，回转半径大，截面
20、特性无方向性，抗压屈承载力高，端部封闭后内部不易锈蚀。网架杆件的计算长度l0应按下表采用，表中l为杆件几何长度(节点中心间距)。3.5 网架杆件设计网架杆件的长细比不宜超过下列数值 受压杆件：180 受拉杆件：(1)一般杆件400 (2)支座附近处杆件300 (3)直接承受动力荷载的杆件250 网架杆件主要受轴力作用，截面强度及稳定计算应满足钢结构设计规范的要求。普通角钢截面杆件最小截面尺寸不宜小于50mm3mm，钢管不宜小于482mm。9.6 节点设计 网架节点数量多，节点用钢量约占整个网架用钢量的2025，节点构造的好坏，对结构性能、制造安装、耗钢量和工程造价都有相当大的影响。网架的节点形
21、式很多，目前国内常用的节点形式主要有五种：(1)焊接空心球节点；(2)螺栓球节点；(3)焊接钢板节点；(4)焊接钢管节点；(5)杆件直接汇交节点节点应满足：受力合理；保证杆件汇交于一点，不产生附加弯矩；构造简单，制作安装方便，耗钢量小；避免难于检查、清刷、涂漆和容易积留湿气或灰尘的死角或凹槽，管形截面应在两端封闭。一、焊接空心球节点构造简单、适于连接管材、施工方便。1、空心球：由两块钢板经热压成两个半球，然后相焊而成；分为不加肋和加肋两种，材质一般为Q235、Q345。2、空心球外径D估算：D=（d1+2a+d2）/d1、d2为组成角的钢管外径；为汇交于球节点任意两钢管杆件间的夹角，弧度；a为
22、球面上相连杆件之间的缝隙，为便于施焊其不小于10mm；3、空心球直径等于或大于300mm且杆件内力较大，需提高承载力时，球内可加环肋，其厚度不应小于球的壁厚。内力较大杆件应位于肋板平面内。4、当空心球直径为120500mm时，其受压、拉承载力设计值可按下式计算；加肋不加肋，载力提高系数；为受压空心球加劲肋承；为空心球外径；力设计值为受压空心球的轴向压；为钢管杆件外径；为空心球壁厚受压空心球：4.10.13.13400)1(22ccccccmmDNNmmdmmtDdttdN；受拉时，加肋取；受压时，加肋取时，其拉压承载力可按；加肋不加肋，载力提高系数；为受拉空心球加劲肋承；为球体钢材强度设计值；
23、力设计值为受拉空心球的轴向拉；为钢管杆件外径；为空心球壁厚受拉空心球：1.14.157.03.09001601.10.1/55.0)2(2ddRtttttttdfDdNmmDmmNfNNmmdmmtftdN5、空心球壁厚可结合杆件内力用上式计算，但不小于4mm；空心球外径与壁厚的比值可在D/t2425内选用，空心球壁厚与钢管最大壁厚的比值宜在1.22.0之间。6、钢管杆件与空心球连接处，管端应开坡口，并在钢管内加衬管，在管端与空心球之间应留有一定缝隙予以焊透，以实现焊缝与钢管等强，焊缝可按对接焊缝计算。焊缝质量等级应达到二级要求，否则按斜角角焊缝计算。公式如下：为角焊缝强度设计值；为管壁与球面
24、夹角；为焊脚尺寸，；为角焊缝有效截面宽度值增大系数；为正面角焊缝强度设计为钢管外径；为钢管轴向力设计值；wfffeefwffefhhhhdNfdhN,2cos二、螺栓球节点1、螺栓球节点的构造组成：钢球、螺栓、套筒、销钉（或螺钉）、锥头（或封板）；材料：钢管、锥头、封板、套筒用Q235、Q345钢；锥头一般铸造而成，套筒机械加工而成；钢球：45号钢锻压后机械加工；螺栓、销钉、螺钉：40Cr钢、40B钢、20MnTiB钢、硬度一般为3339。2、钢球尺寸钢球受力复杂，对其强度目前无实用方法，可按节点构造确定球直径。钢球大小取决于相邻杆件的夹角、螺栓的直径和螺栓伸入球体长度等因素。3、螺栓：应符合
25、8.8级或10.9级的要求单个高强螺栓受拉承载力设计值计算公式：为锥头或封板厚度；为套筒长度；为螺栓直径；取与螺栓直径之比，一般为螺栓伸入钢球的长度由构造确定，螺栓杆长度。为螺栓的有效截面面积；号钢为钢为钢、钢、后的抗拉强度设计值；为高强度螺栓经热处理；，其余取时取响系数；为螺栓直径对承载力影SdSdllAmmNmmNMnTiBBCrfmmdfANbbebtbtebt1.1/36545;/43020404093.00.130224、套筒套筒上纵向滑槽的宽度一般比销钉直径大1.52mm；当滑槽设在螺栓上时，在套筒上设螺栓孔；套筒端部到开槽端部（或钉孔端）距离应使该处有效截面抗剪力不低于销钉（或螺
26、栓）抗剪力，且不小于1.5倍开槽宽度或6mm；套筒端部要保持平整，内孔径可比螺栓直径大1mm；套筒长度计算：采用滑槽时Sa+2a1;a为滑槽长度，ad-c+dp+4mm；d为螺栓伸入钢球的长度；c为螺栓露出套筒的长度，可取45mm，但不应小于两个螺距（丝扣）；a1为套筒端部到滑槽端部的距离；dp为销钉直径；采用螺钉时Sa+b1+b2;a为螺栓杆上滑槽长度，按ad-c+dp+4mm计算，但将dp取为紧固螺钉直径ds；b1为套筒右端至螺栓杆上滑槽最近端距离，通常取为4mm；b2为套筒左端至螺钉孔距离，通常取6mm；孔处的净截面面积；为套筒在开槽处或螺栓计值；为套筒钢材抗压强度设；为所连杆件轴力设计
27、值套筒承压验算公式ncnccAfNfAN5、锥头（管径较大时采用）和封板（管径较小时采用）要求：连接焊缝以及锥头的任何截面应与连接钢管等强，焊缝根部间隙b可根据连接钢管壁厚取25mm；锥头是一个对称旋转壳体，经有限元分析表明，锥头的承载力主要与锥顶板厚度、锥头斜率、连接管件直径、锥头构造的应力集中等因素有关。为封板厚度。为钢材强度设计值；环面的平均半径；为螺帽和封板接触的圆为钢管的内半径；为钢管杆件设计拉力；封板厚度计算：fSRNRfSRN26、支座节点：构造形式应受力明确、传力简捷、安全可靠，并应符合计算假定。常用支座节点有下列六种构造形式：(1)平板压力或拉力支座，角位移受到很大的约束，只适用于较小跨度网架。是否允许线位移，取决于底板上开孔的形状和尺寸。(2)单面弧形压力支座，角位移未受约束，适用于中小跨度网架。(3)单面弧形拉力支座，适用于较大跨度网架。为更好地将拉力传递到支座上，在承受拉力的锚栓附近应设加劲肋以增强节点刚度。(4)双面弧形压力支座，在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。(5)球铰压力支座，只能转动而不能平移，适用于多支点支承的大跨度网架。(6)板式橡胶支座，适用于大中跨度网架。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。
