大跨授课文稿4网格概论.docx
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大跨授课文稿4网格概论
2012大跨授课文稿4
(网格概论)
第1卷劲性结构第2篇劲性空间结构
•第1章概述
•第2章网格结构概论
•第3章网架结构
•第4章网壳结构
•第5章立体桁架结构
第2章网格结构概论
•网格结构概论内容:
2.1网格结构的定义
2.2网格结构的形式
2.3网格结构的杆件
2.4网格结构的节点
2.5网格结构的选型
2.6网格结构的结构分析
2.7网格结构的容许挠度
2.8网格结构的起拱
2.9网格结构的防锈与防火
2.10网格结构的制作、安装与交验
2.1网格结构的定义
•空间网格结构spaceframe,spacelatticedstructure
——按一定规律布置的杆件、构件通过节点连接而构成的空间结构。
•中华人民共和国行业标准JGJ7-2010《空间网格结构技术规程》(在本课中简称《网格规程》)规定,空间网格结构包括:
网架、曲面型网壳以及立体桁架等。
•网格结构示意图---<格构>、<层>---
•《网格规程》——网架(平板扩至含微弯)
•《网格规程》——增加“立体桁架”结构
例如:
图5.5.2-3三角形截面立体桁架
2.2网格结构的形式
网格结构包括:
网架、网壳、立体桁架。
一、网架结构可采用双层或多层形式;网壳结构可采用单层或双层,也可采用局部双层形式。
二、网壳结构可采用球面、圆柱面、双曲抛物面、椭圆抛物面等曲面形式,也可采用各种组合曲面形式。
三、立体桁架可采用直线或曲线形式。
•曲线形式的立体桁架指的是立体拱架、张弦立体拱架。
•张弦立体拱架属于预应力钢结构,属于劲柔构件杂交结构。
•空间网格结构中劲柔构件杂交结构包括:
预应力网格结构、斜拉网格结构、张弦网格结构(张弦网壳和张弦立体桁架)。
•张弦立体桁架应用广、经验多、最成熟。
正式列入《网格规程》。
•预应力空间网格结构、斜拉空间网格结构《网格规程》给出了计算原则。
2.3网格结构的杆件
网格结构杆件可采用普通型钢或薄壁型钢。
一、杆件材料
•网格结构杆件采用的钢材牌号和质量等级应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017的规定。
•网格结构的杆件常用的材料为Q235钢和Q345钢。
•对于大跨度网格结构的杆件,宜优先采用Q345钢。
二、杆件截面——首选圆钢管。
•圆钢管各向等强、截面封闭、且截面回转半径大,对受扭、受压都有利。
•钢管端部封闭,内部不易锈蚀。
表面不易积灰和积水,防腐性能好。
•圆钢管适用于我国普遍采用的焊接空心球节点和螺栓球节点。
•管材宜采用高频焊管或无缝钢管,当有条件时应采用薄壁管型截面。
•当无圆钢管时可用角钢,目前中国建材市场钢管不缺。
•杆件截面应依据现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017,按强度和稳定性要求计算确定。
•注意:
《网格规程》5.1.4的规定:
三、杆件的计算长度及容许长细比
•网格结构中,由于节点所汇集杆件数量较多(一般6~12根),对节点嵌固作用较大。
反过来,节点对杆件约束明显。
•嵌固作用还与节点类型有关(焊接空心球更大、螺栓球较小)。
•网格结构本身是空间结构,对杆件稳定性有利,故杆件的长细比限制比平面桁架的有关规定适当放宽。
•《网格规程》规定:
确定杆件的长细比时计算长度应按表5.1.2采用。
•《网格规程》规定:
杆件的长细比不宜超过表5.1.3中规定的数值。
表5.1.3。
2.4网格结构的节点
一、焊接空心球节点
•是将两块圆形钢板经热冲压成两个半球,加肋或不加肋焊接而成空心球节点。
下料加热→冲压成形→切边刨口→对装焊接
见图:
•焊接空心球节点特点:
见图4.2-1
•由图4.2-1——
•焊接空心球节点构造简单,受力明确,连接较方便,对圆管杆件切割面垂直于杆轴,杆件与空心球自然对中。
可与任意方向的杆件连接。
•焊接空心球节点目前应用最广泛。
另一方面——
•球体的制造需要冲压设备。
•冲压时需用圆形钢板,钢材利用率低,节点用钢量约占网格结构用钢量的10%~30%.
•焊接空心球节点的焊接工作量大,仰、立焊焊缝较多,且对焊接质量要求较高。
•焊接空心球节点对杆件尺寸准确度要求高,且应考虑焊接收缩量对杆件尺寸的影响。
•《网格规程》采用了焊接空心球节点,并作下列规定:
•《网格规程》5.2.1
•《网格规程》5.2.8对空心球“球内加肋”作了如下规定:
注意:
(加肋作法要求及效果)
•当在空心球球内加肋时,肋板应设在球内两半球对焊处,并将肋板与两半球三者焊成一体。
肋板周边可采用平台或凸台。
•肋板厚度不小于球体壁厚,肋板本身挖空,挖去其直径的1/3~1/2。
减轻自重。
•轴力最大的杆件应位于肋板平面内。
•加肋后球的承载力可增加10%~40%。
•焊接空心球构造要求:
5.2.5:
•不等强焊缝应按角焊缝计算。
角焊缝焊脚尺寸应符合《网格规程》5.2.54规定。
•焊接空心球构造要求:
5.2.6
分析:
从式(5.2.6)可以看出,空心球的外径D与钢管外径d呈现线性关系。
在设计中为了提高杆件的抗压承载力,常选用管径较大、管壁较薄的杆件;而管径的加大要引起空心球外径的增大。
空心球的单位重量造价一般是杆管单位重量造价的2~3倍,有时会使总造价提高。
反之,如果管径较小,管壁较厚,空心球的外径可减小,但钢管用钢量增大,总造价也不一定低。
------设计者需寻求最佳平衡点。
•杆件汇交构造要求:
5.2.7
•当空心球直径过大、且连接杆件又较多时,为了减小空心球直径,允许部分腹杆与腹杆或腹杆与弦杆相交汇(即球面上相邻杆件之间净距a<0),但应符合下列构造要求:
•杆件汇交构造要求:
图5.2.7
•空心球只受轴力承载力设计值:
说明:
焊接空心球节点受拉和受压承载力
焊接空心球受压时失效形式——球壳压曲或球壁冲剪;
焊接空心球受拉时失效形式——球壁冲剪。
上一版网壳规程拉压采用统一公式;
上一版网架规程拉压采用不同公式。
《网格规程》依据试验结果和大量数值分析成果,进行回归分析,确定对受拉和受压采用“统一公式”形式。
•空心球受压弯和拉弯的承载力设计值:
•压弯拉弯的影响系数:
(随偏心系数c增大降低)
•“加肋空心球”承载力提高系数。
《网格规程》5.2.4的规定:
•焊接空心球网架屋盖实例---明显球大
二、螺栓球节点
•螺栓球节点是由螺栓球、高强螺栓、紧固螺钉、六角形套筒、锥头或封板等零部件组成的机械装配式节点。
•《网格规程》规定可用于连接网架和双层网壳等空间网格结构的圆钢管构件。
•螺栓球节点参见图5.3.1
说明:
螺栓球节点由钢球、高强度螺栓、六角形套筒、紧固螺钉、锥头或封板等零部件构成。
钢球是锻压或铸造的实心球体,在钢球中按照网格杆件汇交的角度进行钻孔并车出螺丝扣。
球的大小根据螺栓直径和伸人球的丝扣长度确定。
为了缩小钢球的体积,在杆件两端焊上锥头,高强螺栓穿过锥头底板(或封板)及六角形套筒(实为无螺纹螺母),再拧入球体。
紧固螺钉起固定高强度螺栓和六角形套筒的作用,使之扳动六角形套筒即是拧动高强螺栓。
注:
螺栓球节点------机械装配式节点
•拧紧螺栓的过程,相当于对节点施加预应力的过程。
预应力的大小与拧紧程度成正比。
此时螺栓受预拉力,套筒受预压力;在节点上形成自平衡内力,而网格杆件不承受此预应力。
•当网格结构承载后,拉杆的内力通过螺栓受拉传递,随着荷载的增加,套筒预压力将随之减小,杆件拉力全由螺栓承受。
•承载后,网格结构压杆的压力,则由套筒受压来传递,螺栓中预拉力随荷载的增加而减小,杆件压力全由套筒承受。
•螺栓球节点产品质量应符合现行行业标准:
《钢网架螺栓球节点》JG/T10的规定。
•螺栓球节点各零部件材料可按《网格规程》表5.3.2的规定选用。
并应符合相应标准技术条件的要求。
•高强螺栓性能等级选用,《网格规程》5.3.4规定:
•高强螺栓直径确定:
选用高强螺栓的直径应由杆件内力确定,高强螺栓的受拉承载力设计值应按下式计算:
•表5.3.4
——高强螺栓有效截面面积和承载力设计值
•杆件端部构造
《网格规程》5.3.7的规定:
•参见图4.2-7杆件端部连接焊缝
•封板及底板厚度表5.3.7
•紧固螺钉5.3.8
•套筒
《网格规程》5.3.6规定:
显而易见——螺栓球节点的特点
优点:
•螺栓球节点安装、拆卸方便。
球体与杆件便于系列化、标准化、适合工厂生产。
•螺栓球节点结构适应性较大,用同一尺寸的螺栓球和杆件可以拼装出各种不同形式的网格结构。
缺点:
•节点构造复杂、机械加工量大、加工工艺要求高、需要钢材品种多、制造费用较高。
比空心球贵。
•故适用于中、小跨度的网格结构,杆件最大拉力以不超过700kN、杆件长度以不超过3m为宜。
•螺栓球节点零部件实物照片组图:
•螺栓球节点网架实例---明显球小
三、铸钢节点
•铸钢节点(caststeeljoint)——以铸造工艺制造的用以复杂形状或受力条件的空间节点。
《网格规程》采用,在5.5.1作了规定:
•铸钢节点材料
•铸钢节点设计
•铸钢节点试验:
检验性试验、破坏性试验
《网格规程》5.6.1规定:
四、销轴节点
•销轴节点(pinaxisjoint)——由销轴和销板构成,具有单向转动能力的机械装备式节点。
《网格规程》采用,在5.6.1作了规定:
•销轴式节点构造及要求:
五、支座节点
•节点是网格结构的重要组成部分。
•支座节点又是可靠性要求较高的关键部位节点,承受全部屋盖荷载并将其传递到下部支承结构。
•设计者对网格结构的支座节点应予以特别重视。
•《网格规程》对支座节点作出专门规定。
•《网格规程》5.9.1的规定
•《网格规程》5.9.2的规定
1、压力支座节点------其1平板压力支座节点中小跨
•5.9.32单面弧形压力支座节点
•5.9.33双面弧形压力支座节点
•5.9.34球铰压力支座节点
2、拉力支座节点------其1、2用于中小跨度
•5.9.43球铰拉力支座节点
3、可滑动铰支座节点------用于中小跨度
4、橡胶板式支座节点
•橡胶垫板由3-5层薄钢板与多层橡胶片粘合、压制成型。
可侧移,又可转动。
•板式橡胶支座构造详图
研发新产品:
盆式橡胶支座
•盆式橡胶支座——实物图
•成品供应---设计选用非常方便。
•缺点是橡胶老化问题,尤其对于设计服务周期长(如50年或100年)的工程。
不能忽视。
5、刚性支座节点---用于中小跨度
•5.9.9支座节点设计构造要求:
12
•5.9.9支座节点设计构造要求2:
图5.9.9-1
•5.9.9支座节点设计构造要求:
345
•5.9.9支座节点设计构造要求:
67
•5.9.9支座节点设计构造要求7:
图5.9.9-2
•5.9.9支座节点施工要求:
8
•5.9.10弧形支座板材料、橡胶垫板
•5.9.11压力支座节点中增设过度钢板
2.5网格结构的选型
•空间网格结构的选型应结合工程的平面形状、跨度大小、支承情况、荷载条件、屋面构造、建筑设计等要求综合分析确定。
•网格结构杆件布置及支承设置应保证结构体系几何不变。
2.6网格结构的结构分析
一、网格结构分析理论、方法与分析模型
•网格结构按弹性理论计算。
•网格结构最有效的分析方法是有限元法。
•网格结构分析模型——空间杆系(桁架)。
每根杆件作为一个单元;网格结构节点可采用铰节点。
但要特别注意:
•单层网壳节点应采用刚接节点,单层网壳的分析模型——空间梁系(刚架)。
•立体管桁架节点可采用铰节点,但是是有条件的。
要求杆件节间长度足够长。
二、网格结构计算
1、一般计算原则,见4.4.1
•参阅4.1.24.1.34.1.44.1.54.1.64.1.74.1.84.1.9
2、静力计算,
•参阅4.2.14.2.24.2.34.2.54.2.6
3、地震作用下的内力计算,
•参阅4.4.34.4.84.4.44.4.54.4.94.4.10,多维地震分析参阅4.4.11
2.7网格结构的容许挠度
•大跨房屋结构的关键变形是屋盖结构的挠度。
《网格规程》对网格结构的挠度作出明确规定。
•空间网格结构在恒荷载与活荷载标准值作用下的最大挠度值不宜超过表3.5.1中的容许挠度值。
•表3.5.1——空间网格结构的容许挠度值
2.8网格结构的起拱
•起拱对承载能力无任何作用,且为施工带来不便,故网格结构一般不起拱。
•网架与立体桁架可预先起拱,其起拱值可取不大于短向跨度的1/300。
•当仅为改善外观要求时,最大挠度值可取恒荷载与活荷载标准值作用下总挠度减去起拱值。
2.9网格结构的防锈、防火
一、网格结构的防锈
防锈方法:
①改变钢材的组织,加铜、铬、镍,不锈钢,价格贵;
②金属镀层,电镀和热镀锌;
③非金属涂料——经济,现行。
二、网格结构的防火
防火主要措施:
①喷涂防火涂料;
②设水喷淋系统。
三、防锈与防火设计
空间网格结构的防护与防火要求应遵守现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017的有关规定。
2.10网格结构的制作、安装与交验
☆网格结构施工特点:
•网格结构的杆件和节点——在车间制作。
•网格结构在现场组装架设——高空作业。
特别提醒:
•施工方法选用——应尽量减小高空作业------减小大量的“脚手”。
•牢记混凝土薄壳“停滞”的教训,认真解决好制作安装问题。
一、网格结构施工的一般规定(6.1)
1、基本管理方面(6.1.1、6.1.2)
•基本管理方面(6.1.3~6.1.5)
2、网格结构的安装方法(6.1.6七种方法1)
•安装方法1
•安装方法23
•安装方法4567
工程实例:
网架地面组装
工程实例:
网架吊装
•1973年上海万人体育馆——大跨网架整体吊装
•1975年辽宁体育馆网架——大跨网架整体吊装
工程实例:
柱面网壳“折叠展开式”整体提升施工。
•柱面网壳用6铰线分为5区;
•1、6铰线为支座铰线;
•2、5铰线为区间点铰线;
•3、4铰线为提升点铰线。
•(地面组装呈折叠状“机构”,展开→“结构”,2000年河南省鸭河口电厂干煤棚108m柱面网壳,长为90m,首次应用成功)顶升过程见下图。
观看“顶升过程”示意连接---f---3
工程实例:
Pantadome体系及施工技术。
•前面是圆柱壳-筒壳,“机构”运动→“结构”。
•Pantadome技术要解决的是“球面壳”以及“椭球面壳”的“机构”→变“结构”的问题。
•日本川口卫教授已经解决
1984年在日本神户“世界纪念堂”应用成功,到目前全世界已有7项工程成功实践。
——参见下图神户“世界纪念堂”施工示意。
•神户“世界纪念堂”
Pantadome技术原理:
•球面壳(穹顶)可以看着是由径向的拱绕竖向中轴旋转一周得来。
•穹顶的立体空间作用可以分解为径向拱的作用与环向箍的作用的叠加。
•对于杆件组成的网格状的网壳来说,解除部分的环向作用就是去掉一部分环向杆。
这样穹顶结构就可以产生一个竖向自由度,并且只有一个自由度。
•利用穹顶临时具有的自由度,就可以把穹顶折叠起来,在接近地面处进行组装。
•然后利用液压或气压等方式把折叠的穹顶沿其仅有的一维自由度方向顶升到设计高度,完成穹顶的施工过程。
•日本川口卫教授依据这个原理发明了这种新的“施工方法”、“结构体系”。
•02级常高飞的毕业论文“大跨钢结构施工”。
作了很好的探讨。
3、空间网格结构安装规定
•安装规定参见(6.1.7~6.1.12)
二、网格结构制作与拼装要求
•制作拼装要求参见(6.2.1、6.2.26.2.3、6.2.46.2.5)
三、网格结构交验
•网格交验规定参见(6.11.16.11.26.11.36.11.4)
课外自学
•理念复习题:
1.空间网格结构的定义?
2.空间网格结构的形式?
3.空间网格结构杆件的型式?
4.空间网格结构节点的型式?
5.空间网格结构的选型原则?
•实践练习题:
1.完成《大跨钢结构课作业题》第3题。
大跨钢结构课作业题
3、搜集《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》及“门式刚架图集”等资料,熟悉轻钢结构构造,绘制轻钢屋盖典型节点构造图。
(选作题)
内容提示:
①屋盖檩条与刚架斜梁连接构造图;
②屋盖檩条间拉条布置图及直拉条、斜拉条、撑杆大样图;
③屋盖水平支撑构件连接详图;
④屋盖隅撑构造详图。
(可手绘、可截图加标题说明。
选作附加5分)
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