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钢结构设计手册(第四版上下册全集)2019_部分

时间:2021-05-23 19:41

  4.4 大跨度钢结构 179 (2) 多点支承。将网架支承在若干个独立的柱子上,柱子数量一般为 4 ,.._, 8 根。此时网架周边宜有适当的悬挑,以减小跨中的杆件内力和挠度。悬挑长度一般取跨度的 1/ 4,.._, 1/3 。当四点支承时,不宜将柱子设置在四角。(3) 三边支承,一边自由。由于使用要求(如设大门),或以后扩建需要,一些矩形网架需要采取这种支承方式。此时应采取措施加强其开口边的刚度,可采取以下措施:1) 设置边柜架;2) 局部加大杆件截面;3) 跨度较大或平面比较狭长时,可增加开口边附近的儿棍网架的层数.形成多层网架;4) 跨度较小时,可适当加大整个网架的高度。网架结构较为经...

  4.4 大跨度钢结构 179 (2) 多点支承。将网架支承在若干个独立的柱子上,柱子数量一般为 4 ,.._, 8 根。此时网架周边宜有适当的悬挑,以减小跨中的杆件内力和挠度。悬挑长度一般取跨度的 1/ 4,.._, 1/3 。当四点支承时,不宜将柱子设置在四角。(3) 三边支承,一边自由。由于使用要求(如设大门),或以后扩建需要,一些矩形网架需要采取这种支承方式。此时应采取措施加强其开口边的刚度,可采取以下措施:1) 设置边柜架;2) 局部加大杆件截面;3) 跨度较大或平面比较狭长时,可增加开口边附近的儿棍网架的层数.形成多层网架;4) 跨度较小时,可适当加大整个网架的高度。网架结构较为经济的适用跨度为 zo,.._, lOOm 。网架结构的优点和特点,大致可以归纳如下:1) 空间工作,传力途径简捷,是一种较好的大跨度、大柱网屋盖结构。2) 重量轻,经济指标好。与同等跨度的平面钢屋架相比,当跨度在 30m 以下时,可节省用钢量 5%,.._,10%; 当跨度在 30m 以上时,可节省 10% ,.._,zo% 。跨度越大,节省的用钢最也越多。3) 刚度大,抗震性能好。4) 施工安装简便,网架杆件和节点便于定型化、商品化,可在工厂中成批生产,有利千提高生产效率。5) 网架平面布置灵活,屋盖平整,有利于吊顶、安装管道和设备。网架建筑造型轻巧、美观、大方,便于建筑处理和装饰。常用的网架节点有球节点和板节点两种,球节点又分螺栓球节点和焊接球节点两种。当采用角钢杆件时,应采用板节点。板节点整体性好、刚度大、构造简单、用钢量低。当采用钢管杆件时,应采用球节点。这种节点传力明确、轻巧美观,适用于各种类型的网架。螺栓球节点可以系列化并适合在工厂加工,安装拆卸方便,但构造复杂、加工精度要求高、用钢量大。焊接球结点能连接各个方向的杆件,不产生偏心,但加工需要专门设备,用钢量大(占整个网架用钢量的 20%~25%) 。当网架的跨度大于 7 Om 或悬挂有lOt 以上的吊车时,宜采用焊接球节点。2. 网壳结构由离散的杆件组成的曲面形网格结构,其表面形状为曲面并具有壳体的特性时即为网壳结构。网壳结构分为单层及双层两大类,可提供各种优美的造型,满足建筑设计和使用功能的要求。单层网壳应采用刚接节点,双层网壳可采用饺接节点。网壳结构的优点和缺点,大致可以归纳如下:(1) 网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性,杆件比较单一,受力比较合理。(2) 网壳结构的刚度大、跨越能力大,往往跨度超过 100m 时,很少采用网架结构,而较多的采用网壳结构。(3) 网壳结构可以用小型构件组装成大型空间,小型构件和连接节点可以在工厂预制,走工业化生产的道路,现场安装简便,不需要大型的机具设备,因而综合技术经济指标较好。 180 第 4 章结构体系(4) 网壳结构的分析计算借助千通用程序和计算机辅助设计,现已相当成熟,不会有多大难度。(5) 网壳结构造型丰富多彩,不论是建筑平面还是空间曲面外形,都可以根据创作要求任意选取。常用的网壳结构类型见图 4. 4-9 。雪0eC』《三, \\ 圆柱面网壳椭圆抛物面网壳荨荨双曲抛物面网壳图 4. 4-9 网壳结构类型图网壳结构的稳定性是网壳分析设计中的一个关键问题,单层网壳和厚度较小的双层网壳都存在失稳的可能性。随着网壳结构的发展,跨度不断增大,稳定问题显得更为突出。网壳结构的稳定分析不仅包括临界荷载的确定,还应对其屈曲后性能进行考察,因为网壳的稳定承载能力与其后屈曲行为密切相关。因此,对网壳结构除分析其失稳模态和相应的临界荷载之外,有必要研究临界点周围的前后屈曲路径,即对网壳结构的整个平衡路径进行跟踪分析。四、张拉整体结构1. 悬索结构悬索结构是以受拉钢索为主要承重构件的结构体系,通常由按一定规律组成不同形式的钢索系统、屋面系统和支承系统组成。悬索屋盖结构是用拉力构件,强力拉紧而成屋面系统。为了获得稳定的屋面,必须施加相当大的拉力才能绷紧,跨度越大所需的拉力就越大。其特点是钢索只承受拉力,因而能充分发挥钢材的优越性,减轻自重。它适用于不超过 300m 跨度、多种多样的平面和立面图形的建筑,并能充分满足建筑造型的要求。圆形边缘构件较省,其他平面形式边缘构件相对用料较多,宜优先采用圆形或椭圆形见图 4. 4-10 。(1) 悬索结构的力学特性为:1) 该结构属大变位、小应变问题,其儿何方程以至整个结构的控制方程是非线 因此,常规结构分析中的叠加原理将失效,计算变得复杂,特别是动力问题到目前为止还没有一个高效的求韶方法。2) 悬索屋盖对局部荷载很敏感,在局部荷载作用下,在荷载作用的位置将产生很大的变形。这就要求覆盖层具有足够的变形能与其适应。如果覆盖层刚度较大(如采用钢筋混凝上预制板、擦条等),它们将不可避免地要参与索系的工作,成为索系的分布结构。这对索系来讲可能并不重要,但对覆盖层就可能由于附加内力而提前破坏。3) 悬索屋盖的水平力处理复杂,拱和壳体等结构也会产生较大的水平力,但与悬索结构相比.它的处理要容易得多,其主要原因是悬索结构中水平力作用点都很高.在空间不便于布置相应的抗水平力的构件。(2) 悬索屋盖具有如下特点:(、 a)(g) (i) 图 4. 4-10 悬索结构图(b) (c) (d) (e) (f) 182 第 4 章结构体系1) 屋盖造型活泼新颖,更能发挥建筑师、结构丁程师才能。2) 自重轻、节约钢材。但是也由于屋盖轻,抗风问题很重要,不同建筑形态的风力分布系数差别很大,通常需要通过风洞实验来确定,风荷载体型系数。3) 运输及施工方便。不需要大型起重设备,也不需要大量脚手架,索的张拉类似预应力混凝土构件施工时的张拉方法,已为一般下地所熟悉`在安装屋面构件时可利用巳张拉好的索系作为脚手的支承结构,不需要专门为此搭脚手架。4) 悬索屋盖的面内强度和刚度比面外的要高很多.屋盖本身而言抗震没有什么问题。但就整体而言.抗震就需要仔细设计,特别是当钢索的水平拉力是处理在支承结构顶部时,下部应设计成能抵抗地震和风力等水平力的结构。(3) 屋盖上常用的悬索结构体系有四大类:单层索系、双层索系、横向加劲索系和索网。1) 单层索系(图 4. 4-11) 。当平面为矩形时,单层索系由许多平行的单层索构成,形成一个单曲面下凹屋面,悬索挂在水平刚度较大的横梁上,见图 4. 4-ll(a) ! 也可以直接支承在柱上。当为圆形平面时,拉索按辐射状布置,形成一碟形屋面,拉索的周边支承在受压圈梁上,中心或设受拉环,见图 4.,1-ll(b), 或设支柱,形成扇形悬索结构,见图 4. 4-11 (c) o 2) 双层索系(图 4. 4--12) 。其特点是除单层索系所具有的承重索外,还有曲率与之相反的稳定索,内索之间用拉索或受压撑杆相连.其优点是可以对上下索施加预应力,从而提高犀盖的刚度。此索系同样可用于矩形平面,见 4. 4-12 (a) 和圆形平面,见 4. 4-12 Cb), 厗面可上凸或下凹。承重索(b) (a) 周边柱(c) 图 4. 4-11 单层索系周边柱中柱(a) (b) 图 4. 4-12 双层索系3) 横向加劲索系。为了加强单层索系的屋面刚度,以承受不对称荷载或动荷载,可在单层悬索上设置横向加劲构件(衔架或梁),加劲构件与索垂直相交。安装时,先将柏架浮搁在索上,两端支座与下面支承柱空开一些距离.然后将其向下压产生强迫位移,从而在索中建立预应力。这种体系特别适合千纵向两端支承结构的水平刚度大,而横向两端支承结构的刚度弱的情况。 4.4 大跨度钢结构 183 4) 索网也称鞍形悬索。由两组正交的、曲率相反的拉索直接叠交而成,其中下凹的一组是承重索,上凸的一组是稳定索。通常对稳定索施加预应力,从而使承重索张紧,提高屋面刚度。其曲面大都是双曲抛物面,适用于各种形状的建筑平面,为了描固索网,沿屋盖周边应设置强大的边缘构件。2. 索穹顶结构索穹顶结构是支承在圆形、椭圆形,或多边形刚性周边构件上,由脊索、环索、撑杆及斜索组成的结构体系。索穹顶结构是一种受力合理、结构效率高的空间结构体系,它同时集新材料、新技术、新工艺和高效率千一体,被认为是代表当今国际空间结构发展最高水平的结构形式。该体系不但形体优美,而且具有良好的受力性能。因此索穹顶结构非常适合于体育文化建筑。加之计算机技术以及新材料、新工艺的不断革新,使得复杂空间结构的分析、设计、建造成为可能,所以空间结构在国内外呈现出一种蓬勃发展的趋势。历届奥运会世博会等国际大型文体活动的召开往往都会催生一批优秀的建筑代表作。索穹顶结构曾多次得到奥运会的青眯, 1988 年汉城奥运会的体操馆,该馆的屋盖为 120m 的索穹顶结构,这是世界上第一个采用张拉整体概念的大型工程,由美国著名结构工程师盖格设计。到了 1996 年亚特兰大奥运会,美国工程师李维进一步改进了索穹顶体,设计建造了主场馆佐治亚穹顶并被评为当年全美最佳设计。索穹顶结构与一般传统结构的最大区别是结构内部存在自应力模态和机构位移。结构体系可以通过施加预应力得到刚化,此时结构体系内部存在一阶无穷小机构,但它仍能像传统结构一样,承受一定的荷载而变形不大。根据几何拓扑形式的不同,索穹顶结构分为Geiger 型、 Levy 型、 Kiewitt 型、鸟巢型、混合型等多种形式。索穹顶结构示意图见图 4. 4-13 。霾~ 噬鲁/辜(a) (b) (c) (d) 图 l. 4-13 索穹顶结构示意图(a) Lovy 设计的乔治亚穹顶; (b) Kiewitt 型; (c) 混合 I 型(肋环型和葵花型的重叠式组合);Cd) 混合 IJ 型 CK 比 witt 型和葵花型的重叠式组合)Kiewitt 型穹顶(图 4. 4-13) Cb) 和混合型穹顶在综合考虑结构构造、几何拓扑和受力机理的基础上提出新型索穹顶结构形式。其中混合 1 型(图 4.4-13) (c) 为肋环型和葵花型的重叠式组合,混合 II 型(图 4.4-13) (d) 为 Kiewitt 型和葵花型的内外式组合。这 184 第 4 章结构体系些新刮穹顶脊索划分较为均匀,可望刚度分布均匀和较低的预应力水平,同时使薄膜的制作和铺设更为简便可行,均匀划分的脊索网格同样为刚性屋面材料如压型钢板、铝板的使用提供了更大空间。索穹顶是一种受力合理、结构高效的结构体系,它由连续的拉索和不连续的压杆组成,完全体现了 Euller 关千"压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”的思想,其主要特点如下:(1) 全张力状态。张拉整体索穹顶结构巾连续的拉索和不连续的压杆组成,连续的拉索构成了张力的海洋,使整个结构处于连续的张力状态,即全张力态。(2) 预应力提供刚度。索穹顶结构中的索在未施加预应力前几乎没有自然刚度,它的刚度完全由预应力提供。索穹顶结构的刚度与预应力的分布和大小有密切关系。(3) 力学性能与形状有关。索穹顶结构的工作机理和力学性能依赖于其自身的拓扑形状。只有合理的结构形状,才能有良好的工作性能。(4) 力学性能与施工方法有关。索穹顶结构的力学性能很大程度上取决与预应力状态,而预应力的形成又与施丁过程有直接关系,所以选择合理、有效的施工方法是实现结构良好力学性能的保证。(5) 自平衡体系。无论在成形态还是受荷态,它都是压力和拉力的有效自平衡体系。五、空间组合结构组合空间结构可定义为用不同的结构单元或不同的材料组合而成的一种空间结构。结构单元有柔性索、刚性杆、板壳等;不同材料有钢筋混凝土、钢材、复合物、薄膜等。由各种结构因素组合的各种组合空间结构不于下图。由于组合空间结构是利用原有空间结构“杂交”而成,充分发挥原有空间结构的优点,降低其缺陷,取长补短,因而结构的性能大大改善,见图 4. 4-14 。图 4. 4~ 14 组合空间结构组合图1. 张拉网架结构按布索形式可分为放射式、竖琴式、扇式、星式等数种(图 4. 4-15a~d) 。放射式的特点为塔柱高度不变,斜拉索倾角随着索的位置不同而改变。竖琴式的塔柱较高,位千同一竖直平面的斜拉索倾角相同。星式的斜拉索下端呈直线布索,而上端则分两层描固于柱顶。图 4. 4-15 所示为几种斜拉网架结构示意图。当有附房可描固斜拉索时,可选用图 4.4 大跨度钢结构 185 4. 4-15a 的方案,图 4. 4-15b 为无附房的情况。当建筑上允许室内设立柱子,则可用图4. 4-15c 方案。当结构为开敞式时,必须考虑风吸力的作用,斜拉索应加预应力,使网架向上掀时索不至于退出工作。图 4. 4-15d 方案增加了下面的拉索,以抵抗风掀力,这时网架高度也可适当减小。(a) (b) (c) (d) 图 4. 4-15 几种斜拉网架结构形式2. 悬索网架结构图 4. 4-16 所示为两种悬索网架结构方案。图 4. 4-16a 方案竖杆均为拉杆,图 4. 4-16b 方案竖杆有部分压杆,显然 b 方案较 a 方案柱子矮。悬索的布索也有两个方案。一为平行走向,二为交叉走向,交叉索的吊点布置较平行走向方便。悬索的吊点对网架不产生水平分力,因而网架的用钢量比斜拉网架和张弦网架小。悬索结构的缺点在千屋面刚度较差,为了保证屋面有足够的刚度,需要较大的索力,也就增大了水平力的处理困难。如与网架组合则可克服此缺点,这是由于悬索网架结构索的垂跨比较大,因而索力不必太大,索的截面就较小。3. 张弦网架结构图 4. 4-17 所示为几种张弦网架方案,斜拉网架和悬索网架的索及部分杆件暴露千屋面外部,对防腐和屋面防水要求高。张弦网架是将索至千室内,同时可取消伸出屋面的塔柱。但由千弦索产生的水平力则由网架平衡。为了不使上弦产生太大的附加压力,弦索的预应力度不宜过高,显然垂跨比较大的图 4. 4-l 7b 方案要经济一些,但它却降低了建筑净空。经分析表明图 4. 4-l 7c 方案与普通网架相比可省钢 25% 以上。二(a) 、、 VV\/\J\/\{VV(b) 劝 y\/\j~ 乙冷气 7(a) (b) (c) 图 4. 4-16 悬索网架结构不...