大跨度屋盖结构
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大跨楼屋盖结构建模教学1.概述网架本身具有:重量轻、刚度大、抗震性能好、空间大等自身的优势,所以越来越受到大家的青睐.大跨度楼盖和屋盖的应用也越来越普遍,也越来越多的出现在大家的视线中,比如:加油站、门厅、大型展厅,都喜欢采用这种混搭结构形式.但是大部分设计师,对于这种结构如何建模及进行整体计算非常困惑,本篇文章将详细讲解,如何在结构设计软件PKPM中快速完成这类结构的建模及相关参数的设置.2.网架独立计算的缺点和整体计算的必要性大家对于这种结构,有一些很简化的处理方法.一般都是先对网架单独进行计算分析,然后把支座力以集中力的形式,加到下部主体结构中,以此来考虑网架荷载对下部结构的影响.另外,因为网架的面内刚度很大,所以设计师一般采用一些近似的方法,模拟网架刚度对主体结构的影响,比如:用虚梁、用等代梁、用刚性杆件、用刚性楼板模拟等.但这些模拟方法都是不准确的,因为不管用什么方法模拟,都没有真实的把上部网架建到模型中,更无法实现上部网架和下部主体结构的整体计算分析,尤其是网架单独分析与整体分析在动力特性上的差异.所以这些简化处理方法,都无法真实反映出网架的刚度、没有反映出网架真实的变形及振动、无法准确考虑竖向地震的影响、无法考虑上下部的相互作用,以及大屋盖结构和下部结构的整体效应.简言之,这些近似的处理方法都是不准确的,网架与下部结构整体计算是十分必要的.3.相关的规范条文规范中对于该类结构的规定很多,下面列出其中几处,供大家参考:《建筑抗震设计规范》10.2.7中提到:屋盖结构抗震分析的计算模型,应符合下列要求:1、应合理确定计算模型,屋盖与主要支承部位的连接假定应与构造相符.2、计算模型应计入屋盖结构与下部结构的协同作用.《建筑抗震设计规范》10.2.7条文说明:屋盖结构自身的地震效应是与下部结构协同工作的结果.由于下部结构的竖向刚度一般较大,以往在屋盖结构的竖向地震作用计算时通常习惯于仅单独以屋盖结构作为分析模型.但研究表明,不考虑屋盖结构与下部结构的协同工作,会对屋盖结构的地震作用,特别是水平地震作用计算产生显著影响,甚至得出错误结果.即便在竖向地震作用计算时,当下部结构给屋盖提供的竖向刚度较弱或分布不均匀时,仅按屋盖结构模型所计算的结果也会产生较大的误差.因此,考虑上下部结构的协同作用是屋盖结构地震作用计算的基本原则.考虑上下部结构协同工作的最合理方法是按整体结构模型进行地震作用计算.因此对于不规则的结构,抗震计算应采用整体结构模型.当下部结构比较规则时,也可以采用一些简化方法(如等效为支座弹性约束)来计入下部结构的影响.但是,这种简化必须依据可靠且符合动力学原理.透过以上内容,可以非常清晰的看到,对于这种结构结构进行整体分析的必要性.4.应用PKPM整体建模方法为了实现这种结构形式的快速建模,V3以后的版本,利用PMSAP核心的集成设计,即图1.图1因为该产品线是PM和Spas的结合,对于下部的标准层依然可以在PM 中正常建模,只有上部的空间网架需要采用Spas的建模方式.具体的操作流程如下:1、新建工程目录,并且在左侧选择第二条产品线:PMSAP核心的集成设计.然后直接进入【结构建模】模块中;2、此时会进入PMCAD建模界面,设计师可以在该界面下,建立下部主体结构模型,如图2所示;图23、建完下部主体结构后,开始建立空间网架;进到空间层有两条路径:路径一,点击:【基本丨工具】>【空间建模】菜单,程序即可自动进入空间建模模块,如图3所示;图3路径二,点击【添加新标准层】>【空间标准层】,也可以进入空间层建模功能,如图4所示:图44、进入空间层功能后,程序会弹出图5的对话框.图5设计师可以根据工程需要,选择显示部分楼层,或者显示全部楼层(对于楼层比较多的工程,可以选择显示部分楼层,使得后续操作更方便);5、创建上部网架模型.对于上部网架,程序支持:自己创建或者外部导入两种方式;方法一,围区网架:如果是非常规则的网架,可以使用程序提供的【围区网架】功能,如图6所示.图6具体操作步骤如下:a)选择【围区网架】命令;b)沿逆时针依次选择节点,直至形成封闭围区,然后右键确定.c)选择与网架网格平行的两点,会弹出图7所示的对话框.图7设置相应的参数后,即可形成图8所示的网架;最后按照实际截面进行构件布置即可.图8方法二,外部导入:a)先用pmsap打开已经建好的网架,点击图9中的【设基点】命令,再点击网架中的某一点.这样,下次导入该网架时,就会以刚刚设置的点左右对位基点;图9b)【PMSAP核心的集成设计】打开已经建好的下部结构,然后进入空间标准层;c)点击【导入子结构】,然后根据定位基点,把网架拼到下部结构中即可,如图10所示.图106、对下部主体结构和上部空间网架层,进行组装:1)点击【返回】键,回到PM建模界面,如图11所示;图112)点击:【楼层组装】>【空间层组装】,会弹出图12所示的空间层组装对话框;图123)根据实际工程情况,选择“空间标准层号”,以及对应的“标准层号”,本实例的空间层以及标准层号都是1;4)设置好对应关系后,点击“添加”即可完成空间层的组装.拼装后的完整模型,如图13所示:图135.几个关键点说明如果设计师看的仔细的话,会发现刚才导入的网架中,有一根竖向的短线;其实这根短线是用来模拟支座的.因为网架和下部结构之间需要通过支座连接,所以这里通过一根短柱来模拟支座.下面说一下支座的建模,以及支座和下部结构的连接如何模拟;1)支座的模拟:模拟支座的小短柱,可以按照实际支座的高度建模即可(一般是300-600mm之间);支座的截面宽度,可以定在300-400mm左右.如果把支座层单独建成一个标准层,并且与下部结构一起组装的话,因为该层柱子太短,刚度较大,为了规避掉这个问题,建议设计师把该短柱层,直接建到上部网架层中;本例题即是采用的这种建模方法.2)支座层与下部结构的连接形式:根据实际工程情况不同,网架与下部结构的连接形式,也可能有所不同,比如:滑动、铰接等.设计师可以根据自己的工程情况,在程序中设置相应的参数,即可达到不同的约束效果,如图14所示;图14图14中,K11、K22、K33,表示三个方向的平动约束刚度;Kθ1、Kθ2、Kθ3,表示三个方向的转动约束刚度;如果按照上图的约束刚度填写,即是常见的铰接形式.因为每个节点有三个平动、三个转动六个自由度,设计师可以根据自己的工程情况,进行约束刚度的填写,进而可以达到不同的约束情况.另外:对于一般不会产生附加阻尼的支座,图14中的阻尼系数填零即可.约束形式定义好后,即可布置到模型中,如图15所示:图15到此,上部网架和下部主体结构已经完整拼接到一起;设置好相应的计算参数后,就可以对结构进行整体计算和分析了.6.小结本文较为详细的介绍了底部结构与顶层网架这种常见结构形式的建模方法、参数设置等,希望会对设计师能够有所帮助.。
大跨度型钢混凝土梁板屋盖设计摘要:随着经济的不断发展,以及功能需求的不断提升,越来越多的大跨度结构形式在各种建筑设计中出现。
按照GB50011-2010建筑抗震设计规范的要求,跨度大于18 m的框架为大跨度框架。
解决大跨度屋面结构有许多方法,如采用钢结构、预应力混凝土梁板结构或者是型钢混凝土梁板结构等。
各种结构形式有各自的特点和要求。
预应力框架主梁的经济跨度为15m~25m,梁跨高比15~20。
在该跨度范围内采用预应力混凝土,可解决大跨度梁的抗裂、挠度问题,扩大柱网,形成大空间,提高建筑物的使用功能。
关键词:大跨度结构;型钢混凝土梁板;屋盖设计前言高层建筑和大跨度建筑是近代经济发展和科学技术进步的产物。
随着经济的发展,人口向城市集中,造成城市用地紧张,促进了高层建筑的发展。
而随着人们物质和精神文明建设的发展,各类公共建筑也不断涌现,这又促进了大跨度建筑的发展。
这两类建筑都具有自重较大,结构构件受力较大,抗震性能要求较高的特点,而型钢混凝土结构相对于传统的钢筋混凝土结构,能更好地适应这些要求,因而在近些年来得到快速的发展。
型钢混凝土结构,又称钢骨混凝土结构或劲性钢筋混凝土结构,它是指梁、柱、墙、筒体等杆件或构件,以型钢为骨架,外围包以钢筋混凝土所形成的组合结构。
使用的型钢可分为实腹式和空腹式两大类:实腹式型钢构件可由型钢或钢板焊成,常见的截面有I、H形等,也有矩形及圆形钢管。
空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢组成。
空腹式型钢比较节约钢材,但制作费用较高,抗震性能相对较差,目前应用不多。
实腹式型钢由于制作简便、承载力大,因此被广泛应用。
1型钢混凝土结构的优缺点1.1与钢筋混凝土构件相比较,型钢混凝土结构具有以下特点:(1)整体工作—型钢骨架与外包钢筋混凝土形成整体,共同受力。
(2)截面尺寸小—钢筋混凝土构件受到自重和配筋率限值的制约,提高承载力和刚度的唯一途径是加大截面尺寸;而型钢混凝土构件可以利用设置较大截面的型钢参与共同受力,承载力相同,截面面积可以大大减小。
大跨度飞机定检库钢屋盖结构选型及经济性对比分析摘要:大型飞机定检库一般下部为混凝土框架结构,屋盖为轻型大跨结构,由于机型较稳定,故定检库沿跨度方向的尺寸较为固定,本文利用3D3S计算分析软件,通过对江西宜春某结构尺寸为66m*63m的大跨度飞机定检库钢屋盖进行结构选型分析及用钢量对比,得出了此类定检库的合理结构选型。
分析表明,对于主体结构,空间管桁架的用钢量约为网架用钢量的1.16倍,对于檩条等非次要结构构件,空间管桁架的用钢量约为网架的1.45倍。
综合分析对比,从总用钢量而言,采用网架结构要优于空间管桁架结构,管桁架结构的总用钢量约为网架结构用钢量的1.2倍。
关键词:钢结构,屋盖,选型,经济性分析1、工程概况及荷载取值项目位于江西省宜春市,结构沿跨度方向的尺寸为66m,沿长度方向的尺寸为63m,距离地面净空要求18m。
结构抗震设防烈度为6度,设计使用年限50年,安全等级为二级,不上人屋面恒荷载取值0.35KN/m2,活荷载取值0.5KN/m2,考虑到屋盖下弦承受一定的灯光荷载,按0.2KN/m2考虑屋架下弦荷载,基本风压(100年重现期)、基本雪压(50年重现期)及温度荷载的取值按照《建筑结构荷载规范》[1]相关条文进行取值。
2、结构选型分析门式刚架工厂加工方便,构件生产速度快,结构施工周期短,能解决现场施工周期紧张的问题,且据了解,目前国内已有较多跨度60m以上采用门式刚架的工程实例[2],因此,结构选型首推门式刚架,但《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[3]只适用于房屋高度不大于18m的建筑,若采用门式刚架,突破规范的同时结构的安全性难以保证,本项目经过充分讨论后另选其他结构形式。
与网架相比,管桁架省去了球节点,结构简单,造型方便,本文将网架与管桁架均作为候选方案,此两种结构形式通过比选综合钢材用量来确定最终的结构选型。
2.1空间管桁架方案空间管桁架选用Q355级钢材,采用三角形断面,断面三角形底边长3.3m,高4.2m,每榀桁架的轴线距离13.2m,为保证管桁架整体稳定性,沿纵向布置七道纵向平面桁架支撑,同时,边桁架上、下弦沿横向布置十字交叉撑,每榀桁架均采用下弦支撑。
大跨度屋盖结构的几种形式
大跨度屋盖结构是一种用于搭建大型建筑物屋顶的结构形式,具有跨度大、空间利用率高等优点。
常见的大跨度屋盖结构包括以下几种形式:
1. 桁架结构:桁架结构是利用多根钢管或钢杆组成的网格状结构,常用于建筑物屋面、车站、体育馆等大型建筑物的屋盖结构。
2. 穹顶结构:穹顶结构是由多个弧形钢管或钢杆组成的圆形、半圆形或椭圆形的屋盖结构,适用于建筑物、体育场馆等大型场所。
3. 悬索结构:悬索结构是由多个悬挂在主梁上的钢缆组成的屋盖结构,具有跨度大、空间利用率高的优点,适用于桥梁、体育场馆、展览馆等大型建筑物。
4. 薄壳结构:薄壳结构是利用高强度钢板或混凝土构成的薄壳结构,常用于建筑物屋面、地铁站、机场航站楼等大型建筑物的屋盖结构。
以上是大跨度屋盖结构的几种形式,不同的场所和需求可以选择不同的结构形式,以满足建筑物的要求。
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常见大跨度建筑的结构形式结构类型:有拱、刚架以及桁架、折板结构、壳体结构、网架结构、悬索结构、充气结构、篷帐张力结构等。
拱是古代大跨度建筑的主要结构形式。
由于拱成曲面形状,在外力作用下,拱内的弯矩可以降到最小限度,主要内力变为轴向压力,且应力分布均匀,能充分利用材料的强度,比同样跨度的梁结构断面小,故拱能跨越较大的空间但是拱结构在承受荷载后将产生横向推力,为了保持结构的稳定性,必须设置宽厚坚固的拱脚支座抵抗横推力。
常见方式是在拱的两侧作两道厚墙来支承拱,墙厚随拱跨增大而加厚。
很明显,这会使建筑的平面空间组合受到约束。
拱的内力主要是轴向压力,结构材料应选用抗压性能好的材料。
古代建筑的拱主要采用砖石材料,近代建筑中,多采用钢筋混凝土拱,有的采用钢衍架拱,跨度可达百米以上。
拱结构所形成的巨大空间常常用来建造商场、展览馆、体育馆、散装货仓等建筑。
刚架是由梁和柱组成的结构,各杆件主要受弯,刚架的结点主要是刚结点,也可以有部分铰结点或组合结点。
全部是钢材焊接的结构,一般用于超高层的办公大楼,或大型的会场和展厅。
桁架是一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。
桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构,桁架杆件主要承受轴向拉力或压力,从而能充分利用材料的强度,在跨度较大时可比实腹梁节省材料,减轻自重和增大刚度。
桁架的优点是杆件主要承受拉力或压力,可以充分发挥材料的作用,节约材料,减轻结构重量。
常用的有钢桁架、钢筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与混凝土组合桁架。
折叠折板屋顶结构一种由许多块钢筋混凝土板连接成波折形的整体薄壁折板屋顶结构。
这种折板也可作为垂直构件的墙体或其他承重构件使用。
折板屋顶结构组合形式有单坡和多坡,单跨和多跨,平行折板和复式折板等,能适应不同建筑平面的需要。
常用的截面形状有V形和梯形,板厚一般为5~10厘米,最薄的预制预应力板的厚度为3厘米。
跨度为6~40米,波折宽度一般不大于12米,现浇折板波折的倾角不大于30°;坡度大时须采用双面模板或喷射法施工。
大跨度钢结构屋盖同步滑移、过程纠偏施工工法大跨度钢结构屋盖同步滑移、过程纠偏施工工法一、前言大跨度钢结构屋盖的施工工法一直是建筑领域中的关键问题之一。
传统的施工方法通常会面临时间长、成本高和施工过程中的不确定性等问题。
为了解决这些问题,同步滑移、过程纠偏施工工法被引入,该工法以其高效、准确的特点逐渐在大跨度钢结构屋盖的施工中得到了广泛应用。
二、工法特点同步滑移、过程纠偏施工工法的主要特点有:1. 高效快速:通过同步滑移的方式,工人可以同时进行多个构件的安装,在同一时间内完成较大区域的施工。
2. 精确准确:利用先进的测量技术,施工过程中能够及时发现和纠正偏差,确保结构的准确度和稳定性。
3. 可控性强:通过计算机控制系统,施工人员可以根据实际情况灵活调整滑移速度和位置,保证施工过程的平稳进行。
4. 减少人工劳动:相比传统的施工方法,同步滑移、过程纠偏施工工法大大减轻了工人的劳动负担,提高了施工效率。
三、适应范围同步滑移、过程纠偏施工工法适用于大跨度钢结构屋盖的施工,特别适合于体育场馆、展览馆、机场航站楼等大型建筑物的屋盖构造。
四、工艺原理同步滑移、过程纠偏施工工法的实际工程应用基于以下几个原理:1. 设计准备:根据设计要求,确定钢结构屋盖的布置和构件的尺寸。
制定详细的施工方案,并提前进行土建工程的基础预制。
2. 同步滑移施工:采用特殊的滑移机械,通过同步工具梁的滑移以及钢结构构件的组合安装,实现大面积结构的同步施工。
3. 纠偏调整:结合测量和控制技术,对滑移过程中的偏差进行检测和纠正,确保结构的准确度和稳定性。
五、施工工艺1. 设计准备:在土建工程完成后,根据设计要求和施工方案确定滑移机械的安装位置和滑移点的设置。
2. 机械安装和调试:将滑移机械安装到预先设置的位置,并进行调试和测试,确保滑移机械的正常工作。
3. 模板和支撑安装:根据设计要求,在滑移线上安装钢模板和支撑,在滑移机械的引导下逐步进行固化施工。
大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型。
大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展战况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。
而大跨度结构的表现形式是多种多样的。
大跨度空间结构;拱券结构及穹隆结构;椼架结构与网架结构;壳体结构;悬索结构;膜结构一、拱券结构及穹隆结构从迄今还保存着的古希腊宏大的露天剧场遗迹来看,人类大约在两千多年前,就有扩大室内空间的要求。
古代建筑室内空间的扩大是和拱结构的演变发展紧密联系着的,从建筑历史发展的观点来看,一切拱结构-包括各种形式的券、筒形拱、交叉拱、穹隆-的变化和发展,都可以说是人类为了谋求更大室内空间的产物。
券拱技术是罗马建筑最大的特色及成就,它对欧洲建筑做出了巨大的贡献,影响之大无与伦比。
罗马建筑典型的布局方法、空间组合、艺术形式和风格以及某些建筑的功能和规模等等都是同券拱结构有密切联系。
拱形结构在承受荷重后除产生重力外还要产生横向的推力,为保持稳定,这种结构必须要有坚实、宽厚的支座。
例如以筒形拱来形成空间,反映在平面上必须有两条互相平行的厚实的侧墙,拱的跨度越大,支承它的墙则越厚。
很明显,这必然会影响空间组合的灵活性。
为了克服这种局限,在长期的实践中人们又在单向筒形拱的基础上,创造出一种双向交叉的筒形拱。
而之后为了建筑的发展热门又创造出了穹隆结构穹隆结构也是一种古老的大跨度结构形式,早在公元前14世纪建造的阿托雷斯宝库所运用的就是一个直径为14.5米的叠涩穹隆。
到了罗马时代,半球形的穹隆结构已被广泛地运用于各种类型的建筑,其中最著名的要算潘泰翁神庙。
神殿的直径为43.3米,其上部覆盖的是一个由混凝土做成的穹隆结构。
在大跨度结构中,结构的支点越分散,对于平面布局和空间组合的约束性就越强;反之,结构的支承点越集中,其灵活性就越大。
从罗马时代的筒形拱衍变成高直式的尖拱拱肋结构;从半球形的穹隆结构发展成带有帆拱的穹隆结构,都表明由于支承点的相对集中而给空间组合带来极大的灵活性。
大跨度建筑结构体系简述-各种大跨度结构类型- 结构理论摘要:大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型。
大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展战况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。
而大跨度结构的表现形式是多种多样的,具体如下文所示:关键词:大跨度空间结构;拱券结构及穹隆结构;椼架结构与网架结构;壳体结构;悬索结构;膜结构一、拱券结构及穹隆结构从迄今还保存着的古希腊宏大的露天剧场遗迹来看,人类大约在两千多年前,就有扩大室内空间的要求。
古代建筑室内空间的扩大是和拱结构的演变发展紧密联系着的,从建筑历史发展的观点来看,一切拱结构-包括各种形式的券、筒形拱、交叉拱、穹隆-的变化和发展,都可以说是人类为了谋求更大室内空间的产物。
券拱技术是罗马建筑最大的特色及成就,它对欧洲建筑做出了巨大的贡献,影响之大无与伦比。
罗马建筑典型的布局方法、空间组合、艺术形式和风格以及某些建筑的功能和规模等等都是同券拱结构有密切联系。
拱形结构在承受荷重后除产生重力外还要产生横向的推力,为保持稳定,这种结构必须要有坚实、宽厚的支座。
例如以筒形拱来形成空间,反映在平面上必须有两条互相平行的厚实的侧墙,拱的跨度越大,支承它的墙则越厚。
很明显,这必然会影响空间组合的灵活性。
为了克服这种局限,在长期的实践中人们又在单向筒形拱的基础上,创造出一种双向交叉的筒形拱。
而之后为了建筑的发展热门又创造出了穹隆结构穹隆结构也是一种古老的大跨度结构形式,早在公元前14世纪建造的阿托雷斯宝库所运用的就是一个直径为14.5米的叠涩穹隆。
到了罗马时代,半球形的穹隆结构已被广泛地运用于各种类型的建筑,其中最著名的要算潘泰翁神庙。
神殿的直径为43.3米,其上部覆盖的是一个由混凝土做成的穹隆结构。
在大跨度结构中,结构的支点越分散,对于平面布局和空间组合的约束性就越强;反之,结构的支承点越集中,其灵活性就越大。
从罗马时代的筒形拱衍变成高直式的尖拱拱肋结构;从半球形的穹隆结构发展成带有帆拱的穹隆结构,都表明由于支承点的相对集中而给空间组合带来极大的灵活性。
大跨度双层网壳屋盖结构的设计前言:大跨度的双层网壳由于其整体性好,覆盖空间大,耗钢量省、施工方便等优点,越来越多的作为工业建筑、体育馆、会馆等结构的屋盖结构。
这类结构为空间多自由度铰接体系,具有杆件多、节点多,动力性能极为复杂等特点。
本文通过一个工程实例,分析了该类结构体系的主要静力和动力特性,对在设计中起控制作用的水平和竖向地震作用进行了较详细和全面分析和研究。
最后,对必不可少的抗震构造措施进行简要介绍。
【关键词】双层网壳;支承体系;竖向地震;抗震性能;抗震构造工程概况某水泥厂石灰石均化库的屋面圆形楼盖的直径为102.00m,球型壳体球径为58.07m,矢高30.30m,楼盖支座高度5.52m;屋面楼盖的结构形式采用双层球面网壳,网格采用正交四角锥系,肋环型布置,环向数为,径向为,支座数为32个。
网壳厚度为m。
竖向支承系统由钢筋混凝土柱和混凝土环梁组成。
结构分析和设计分析模型:本工程利用Autodesk公司的AutoCAD软件建模,采用北京建研院pkpm系列工程设计软件的PMSAP软件进行计算分析。
网架的杆件采用空间铰支杆单元来模拟。
网壳支座节点与混凝土柱采用固定铰支座。
荷载作用:荷载工况主要包括恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用和温度作用,各项荷载的取值如下:1)恒荷载(DL):杆件自重由程序自动计算。
屋面板自重0.25为kn/m2,按照屋面板的面积折算为集中力作用于网壳上弦的节点上。
2)活荷载(LL):屋面检修活载:0. 50 kn/m2,积灰荷载:0.50 kn/m2,雪荷载0.625 kn/m2。
取三项活载中最大的雪荷载进行设计。
按照屋面板的水平投影面积折算为集中力作用于网壳上弦的节点上。
3)风荷载(WL):场地的基本分压为0.563kn/m2, 地面粗糙度类别为B 类。
风荷载体型系数按照建筑结构荷载规范(GB50009-2001)(2006年版)中表7.3.1中第35款旋转壳顶中f/l=30.3/102>1/4的情况下相关公式进行计算。
新疆通艺市政规划设计院新疆乌鲁木齐概要:内蒙古某体育馆直径98.6米,跨度最大91.8米,建筑面积约1.8万平方米,地下一层,地上四层,高33米,屋盖采用空间钢管桁架结构设计,桁架高3.6米,屋盖中心采用玻璃球顶,直径20米,中心凸起的玻璃屋盖采用单层网壳结构,本文对此建筑进行系统分析,供类似结构设计参考。
关键词:体育馆、大跨度、屋盖、钢结构1工程概况本工程规划地址位于内蒙古某市,建筑造型美观大方,融入了蒙古包等多种当地文化元素,是一座富有民族特色的体育文化建筑。
建筑面积约1.8万平方米,地下一层,地上四层,高33米。
效果图见:图1 轴测图、图2 立面图图1轴测图图2立面图本工程主体结构采用混凝土框架,基础采用独立基础+防水筏板。
屋面最大直径98.6米,跨度91.8米,两侧各悬挑3.4米,采360度卷边压型彩钢板屋面,屋面结构为空间钢管桁架结构,屋顶局部采用玻璃球面,直径20米,考虑结构透光和美观性,综合各方意见,中心凸起的玻璃屋盖采用单层网壳结构。
如下所示:图3图32荷载取值(1)恒载标准值(含檩条):彩钢板0.6KN/m2。
玻璃屋面1.5KN/m2。
恒载按展开面积计算,实际加载时根据屋面坡度进行计算放大。
(2)屋面活荷载标准值: 0.5KN/m2。
屋面活荷载按实际投影面积进行加载。
计算时应考虑半跨不均匀分布。
(3)风荷载标准值:根据《建筑结构荷载规范》,按100年重现期取基本风压:0.6kN/m2,地面粗糙度B类,由于建设方不能提供风洞试验报告,风荷载体形系数参考规范取值-0.6~-0.8,屋顶突出屋面局部考虑正风压0.6。
(4)雪荷载标准值:根据《建筑结构荷载规范》,按100年重现期取基本雪压:0.3kN/m2,雪荷载准永久值分区为Ⅱ类,屋面造型周边为凹型,需考虑积雪荷载。
(5)地震荷载:地震设防烈度为7度.基本地震加速度值为0.15g,地震分组为第一组,阻尼比为0.035,场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为0.45秒。
一、桁架
桁架应用极广,适用跨度范围(6—60m)非常大。
以受力特点可分为:
平面桁架、立体桁架、空腹桁架。
通常所指的桁架全是平面桁架,只在强调其与立体桁架或空腹桁架有所区别时,才称之为平面桁架。
文艺复兴时期,改进完善了木桁架,解决了空间屋顶结构的问题;10 世纪工业大发展,因工业、交通建设需要,进一步加大跨度。
出现了各种钢屋架采用桁架。
(一)桁架的基本特点
1.平面——外荷与支座反力都作用在全部桁架杆件轴线所在的平面内;
2.几何不变——桁架的杆件按三角形法则构成;
3.铰接——杆件相交的节点,计算按铰接考虑,木杆件的节点非常接近铰
接;钢桁架或钢筋混凝土桁架的节点非铰接、实属于刚架,其杆件除轴向力外,还存在弯矩,会产生应力但很小,依靠节点构造措施能解决,故一般仍按结点铰接考虑;
4,轴向受力——结点既是铰接,故各杆件(弦杆、竖杆、斜杆)均受轴向力,这是
材尽其用的有效途径。
(二)桁架的合理形式
选择桁架形式的出发点是受力合理,能充分发挥材力,以取得良好的经济效益。
桁架杆件虽然是轴向受力,但桁架总体仍摆脱不了弯曲的控制,在节点竖向荷载作用下,其上弦受压、下弦受拉,主要抵抗弯矩,而腹杆则主要抵抗剪力。
由力分析可以看出,在其他条件相同的情况下,受力最合理,结点构造最简单,用料最经济,自重最轻巧,施工也可行的是多边形或弧形桁架,因其上弦非直线,制作较复杂,仅适用于较大跨度的情况。
一般为便于构造与制作,上下弦各采用等截面杆件,其截面按最大内力决定,故内力较小的节问,材料未尽其用;为充分发挥材力,应尽量使弦杆各节点内力值接近。
为进一步改进多边形桁架,使其上弦制作方便些,可作成折线形上弦的桁架,其高度变化接近于抛物线,这样适用于中、大跨(l>18m),但其制作
仍比三角形或梯形桁架复杂,三角形桁架的最大特点是上弦为两根直料,构造与制作最简单,其受力极不均匀,仅适用于小、中跨(I < 18的桁架情况。
(三) 桁架选型选择桁架形式时,除了要考虑桁架受力与经济合理外,还需要考虑下列问题:
(1) 建筑体型与美观;
(2) 屋面材料及其坡度;
(3) 制作与吊装。
(四) 桁架的空间支撑的位置设在山墙位置两端的第二开间内,对无山墙(包括伸缩缝处)房屋没在房屋两端第一开间内,房屋中间每隔一定距离(一般w 60m) 亦需设置一道支撑,木屋架为20〜30m。
支撑包括上弦水平支撑、下弦水平支撑与垂直支撑,把上述开间相邻两端桁架联结成稳定的整体。
在下弦平面通过纵向系杆,与上述开间空间体系相边,以保证整个房屋的空间刚度和稳定性。
支撑的作用有三:
(1) 保证屋盖的空间刚度与整体稳定;
(2) 抵抗并传递屋盖纵向侧力,如山墙风力、纵向地震力等;
(3) 保证桁架上弦平面外的压曲,减少平面外长细比,并可以防止桁架下弦平面外的振动。
(五) 桁架的优缺点
1 .优点
(1) 桁架的设计、制作、安装均为简便;
(2) 桁架适应跨度范围很大,故其应用非常广泛。
2。
缺点
(1) 结构空间大,其跨中高度H较大,一般为(1/10—1/5)10,给建筑体型带来笨重的大山头,单层建筑尤难处理;
(2)侧向刚度小,钢屋架尤甚,需要设置支撑,把各榀桁架联成整体,使之具有空间刚度,以抵抗纵向侧力,支撑按构造(长细比)要求确定截面,耗钢而未能
材尽其用。
(六)立体桁架解决上述未尽其用的问题使桁架材料充分发挥其潜力的办法,
是改平面桁架为空间桁架,即立体桁架。
这样一来桁架本身就具有足够的侧向刚度与稳定性,以简化或从根本上取消支撑。
(七)空腹桁架由于使用上的需要或建筑功能上的要求,如在桁架高度范围内
开门窗或天窗、或在桁架高度范围内作设备层、或需要穿越管道与人行道,或桁架暴露于室外需要适当美观等原因,不允许桁架有斜腹杆,只有竖杆的桁架,即是空腹桁架。
本节所述之平面桁架、立体桁架与空腹桁架,其总体仍然是受弯构件,本质是格构式梁或梁式桁架。
二、拱壳拱是抗压材料的理想形式,拱形的土穴、岩洞是自然界存在最多的天然结构。
拱是受压的,土与石承压性能好,因此天然结构中拱形的土穴与岩洞占绝大多数。
壳体具有三大功能,即强度大、刚度大和板架合一,这是由于壳能双向直接传力、具有极大空间刚度和屋面与承重合一的面系结构。
本节将拱与壳分述如下:
(一)拱东西方古国,很早就产生了拱结构。
如:
中国的弧拱、古埃及、希腊的券拱;古罗马的半圆拱;拜占庭的帆拱;罗马建筑的肋形拱;哥特建筑的尖拱等。
现代的拱结构多采用圆弧拱或抛物线拱,其所采用的材料相当广泛,可用砖、石、混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土,也有采用木材和钢材的。
拱结构的应用范围很广;最初用于桥梁,在建筑中,拱主要用于屋盖、或跨门窗洞口,有时也用作楼盖、承托围墙或地下沟道顶盖。
拱所承受的荷载不同,其压力曲线的线形也不相同,一般按恒载下压力曲线确定;在活载作用下,拱内力可能产生弯矩,这时铰的设置就会影响拱内弯矩的分布状况。
与刚架相仿,只有地基良好或两侧拱肢处有稳定边跨结构时才采用无铰拱,这种拱很少用于房屋建筑。
双铰拱应用较多,为适应软弱地基上支座沉降差及拱拉杆变形,最好采用静定结构的三铰拱,如西安秦俑博物馆展览厅,由于地基为I -H级湿陷性土而采用67m跨的三铰拱。
拱身可分为两大类,即梁式拱和板式拱。
粱式拱有两种:
(1)肋形拱;
(2)格构式拱。
2.板式拱有六种:
(1)筒拱;
(2)凹波拱;
(3) 凸波拱;
(4) xx 拱;
(5) 折板拱;
(6) 箱形拱。
拱以曲杆抗衡并传递外力给支座,故铰支座不仅承受竖向力,并有相当大的水平向外的拱脚推力,其合力就位于拱轴曲线在支座点的切线方向上。
拱脚有推力是其主要力学特征之一,矢高 f 越小,推力越大。
一次超静定的双铰拱,支座的垂直或水平位移均会引起内力变化,对支座在推力作用下无变位的要求就更严格。
由此可见,为了使拱保持正常工作,务必确保其支座能承受住推力而不位移,故拱脚推力的结构处理,是拱结构设计的中心问题。
3.一般,抵抗推力结构的处理方案,有下列几种:
(1)推力由拉杆直接承担;
(2)推力由水平结构承担。
4.结合拱脚部位有下列的处理方案:
(1)连续拱的中间支座,两侧恒载作用下拱脚推力相抵消,故中间各跨可不设拉杆;非对称活荷(雪、风荷等)作用下,两侧不平衡推力,可由作为中间支座的梁来抗衡。
(2)边跨拱的边支座处理;1)边圈梁;2)挑檐板;3)边跨平顶。
(3)推力由竖向结构承担。
竖向结构有下列四种形式:1)扶壁墙墩;2)飞券;3)斜托墩;4)边跨结构。
(4)推力直接传给基础一落地拱。
拱结构布置有下列六种:1)并列布置;2)径
向布置;3)环向布置;4)井式布置;5)多叉布置;6)拱环布置。