大跨空间钢结构的分类及特点

重点是支撑系统的布置，对保证整个结构体系 的整体刚度是非常重要的。
大跨度梁式结构的外形及腹杆体系，决定于跨 度、屋面型式及吊天棚结构的形式，常用的有梯形 和拱形桁架。按重量最优确定的桁架的高跨比一般 为1/6～1/8。
常用形式： （1）角钢（或T型钢）桁架 （2） H型钢重型桁架* （3）钢管桁架（圆钢管或矩形管）*
BACD撕裂线割取自由体，假定由于板内塑性区的
发展引起应力重分布，破坏时撕裂面各线段上的折
算 i应 力
均匀分布且平行于腹杆轴力*，当各撕裂
段上的折算应力均达到抗拉强度fu时板件破坏。根
据平衡条件并忽略M和V，则第i 段撕裂面的平均正
应力i
和平均i 剪应i 力sini 为i :
Ni lit
sin i
展览馆
日本大分体育公园综合竞技场
伦敦千年穹顶
大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准，国家 标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工 规程》将60m以上定义为大跨度结构，计算和构造 均有特殊规定。我国目前最大跨度做到153m，以 钢索和膜材做成的索膜结构最大已做到320m。
大跨度结构主要是在自重荷载下工作，主要矛 盾是减轻结构自重，故最适宜采用钢结构。在大跨 度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材 料，如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。
式中 d、di─分别为主管和支管外径；
i─支管轴线与主管轴线的夹角。
（2）当由主管壁塑性铰线的失效模式控制时，对X
形节点，受压支管在管节点处的承载力设计值按下
式计算：
N pj cX
大跨与空间 钢结构
崔佳
重庆大学土木工程学院
参考书目： 1.《空间网架结构》，贵州人民出版社； 2.《钢结构设计规范》GB50017-2003； 3.《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91； 4.《大跨度房屋钢结构》，中国建筑工业出版社； 5.《网壳结构设计》，中国建筑工业出版社； 6.《空间结构设计与施工》，东南大学出版社； 7. 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS
有效宽度法假定腹杆轴力Ｎ通过连接件在节点板
内按照应力扩散角度传至连接件端部与N 相垂直的 一定宽度范围内，称为有效宽度be 。
假定be范围内的节点板应力达
到 fu ， 并 令 be·t·fu=Nu( 节 点 板 破 坏 时的腹杆轴力)，按此法拟合的结 果，当应力扩散角=270时精度最 高，计算值与试验值的比值平均 为 98.9% ； 当 =300 时 ， 比 值 为 106.8%，考虑到国外多数国家对 应力扩散角均取为300，为与国际 接轨且误差较小，建议取=300。
桁架设计的难点在节点和支座，跨度大于35～ 40m时，梁式结构的支座之一必须作成可移动的， 以减小对支承墙体或支柱传递的横向反力，横向反 力一般由屋架下弦的弹性变形产生。*
上海证卷大厦
连接两幢主楼 的天桥桁架跨度 63m，共支承着从 17层至26层共8个 楼层，采用了H型 钢重型桁架。
上海浦东国际机场
主要分为两大类：
平面结构体系
梁式体系 框架式体系 拱式体系
空间结构体系
网架及网壳结构 悬索结构 膜结构
平面承重的大跨度钢结构
1 梁式结构体系
梁式结构体系一般采用简支桁架的形式，桁架 的优点是制作与安装都比较简单，其上、下弦及腹 杆仅承受拉力或压力，对支座也没有横推力。
适用跨度：4060m，更大的跨度由于耗钢量 过大而不经济。
节点板的稳定承载力约为强度承载力的80%，故可
将受压腹杆的内力乘以增大系数1.25后再按受拉节点
板的强度计算进行计算，当 c / t 10 235 / f y 时应按 规范附录F进行稳定计算。但当 c / t 17.5 235 / f y
时，规范规定的计算值将大于试验值，不安全，故
规定 c/t 不能超过 17.5 235 / f y 。对自由边加劲的无
b（或 h） 40 235
t
t
fy
（3）管结构采用的管材不应采用屈服强度fy超过
345N/mm2以及屈强比fy/fu>0.8的钢材，且钢管壁厚
不宜大于25mm。因为目前国内外对钢管节点的试
验研究工作仅限于此范围。
管结构节点的失效模式
钢管结构构件的管壁一般很薄，而管径较大， 在节点处直接焊接的钢管节点实际上是由几个圆筒壳 交汇在一起的一个空间薄壳结构。理论上采用有限元 方法或弹性薄壳理论进行分析是可行的，全过程分析 需考虑局部材料进入塑性造成的材料非线形和节点处 主管局部变形造成的几何非线形。但目前主要依赖试 验。圆形和矩形的管节点有7种破坏模式：
a) T、Yቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ节点；b) X型节点； c) K、N型节点，有间隙；d） K、N型节点，搭接。
管结构的适用范围：
（1）不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的
直接焊接钢管节点，其疲劳问题远较其它型钢杆件
节点受力情况复杂。
（2）为防止钢管发生局部屈曲，限制钢管的径厚
比或宽厚比
d 100 235 ；
t
fy
直接焊接的平面圆钢管节点 a) X型节点；b) T型或Y型节点； c）K型节点
直接焊接的空间圆钢管节点 e ) TT型节点；f ) KK型节点
XX型管节点： XX型管节点的数据量较少，计算结果与试验 结果吻合情况也不甚理想，而这种节点类型目前 在实际应用中较少用到，故在规范内未予列入。
直接焊接的矩形管（含方管）平面管节点
写成计算式则为
N f
i Ai
（b）
i——第i段撕裂面与拉力作用线的夹角。
公式（b）符合破坏机理，其计算结果与试验值之 比平均为87.5%，略偏安全且离散性小。
公式还适用于下图两种板件的撕裂面的计算。
由于桁架节点板的外形往往不规则，同时，一些 受动力荷载的桁架还需要计算节点板的疲劳，用撕 裂面法推导出来的公式计算比较麻烦。故参照国外 多数国家的经验，规范建议对桁架节点板也可采用 有效宽度法进行承载力计算。
88规范后的90年代，重庆钢铁设计研究院会同云 南省建筑设计院作了一系列双角钢杆件桁架节点板 的试验，其中受拉试件16个，受压试件8个。
a.受拉节点 试件的破坏特征均为沿最危险的 BA AC CD
线段撕裂破坏，即图b中的三折线撕裂，CD 和 BA 均与节点板边缘线基本垂直。*
σ
《钢结构设计规范》建议用撕裂面法，沿
有效宽度法适用于腹杆与节点板采用侧焊、 围焊、铆钉、螺栓等多种连接情况，（采用铆钉 或螺栓连接时，be应取为有效净宽度）。
b.受压节点 在压力作用下，与受压杆件相连的节点板区域
除强度破坏外，还有可能丧失稳定。试验共作了8个 受压斜腹杆的试件，其中有、无竖腹杆的试件各4个。 试验结果有以下特点：
① 当节点板的自由边长度 lf 与厚度 t 之比
为保证节点板受压时的稳定，桁架杆件间间隙不 能太大，例如有竖腹杆的节点板（或自由边有加劲
的节点板）c 15t 235 / f y ，不能理解为c 值愈小愈
好。规范规定“弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间 隙，不应小于20mm”，是由于间隙过小，焊接残余 应力影响过大。而对吊车桁架，为避免疲劳破坏又 规定此间隙“不宜小于50mm”；同时还规定在工作 温度-20C地区的桁架，为防冷脆，“腹杆与弦杆相 邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t ”。同样，这些规定 不能理解为杆件间间隙愈大愈好，在某些情况如出 现矛盾，应妥善处理。
以上几种失效模式，有时会同时发生。规范针对 不同破坏模式给出了节点承载力的计算公式及构造 要求，这些公式只有少数是理论推出的，大部分是 经验公式。
例如： （1）当由支管与主管间连接焊缝的破坏控制时，
可视支管与主管的连接焊缝为全周角焊缝按正面角
焊缝公式进行计算，但取f＝1。角焊缝的计算厚度
沿支管周长是变化的，当支管轴心受力时，平均计 算厚度可取0.7hf。
i
i
cosi
Ni lit
cosi
折算应力为
red
2 i
3
2 i
Ni lit
sin 2 i
3cos2 i
Ni lit
1 2 cos2 i fu
即
Ni
1
1 2 cos2 i
litfu
令第i 段的拉剪折算系数
则 Ni ilitfu
i
1
1 2 cos2 i
由 N Ni (i lit) fu (i Ai ) fu
轴心受压构件和弯矩使自由边受拉的压弯构件， 对热轧剖分T型钢的局部稳定：
原88规范规定的宽厚比限值：
(10 0.1) 235 / f y
新规范规定的宽厚比限值：
(15 0.2) 235 / f y
计算模型为考虑翼缘与腹板完全嵌固，取屈曲 系数为1.28，不近合理，需试验验证。
（2）H型钢重型桁架
竖腹杆节点板，要求与有竖腹杆的相同。
桁架节点板厚度选用表
一般的钢结构教科书和手册均列有“桁架节点板 厚度选用表”，但都系互相参考，缺乏科学依据。这 次该研究组先制作了N- t/b关系表（N为腹杆最大拉力 ；t为节点板厚度；b为连接肢宽度），反映了侧焊缝 焊脚尺寸hf1、hf2的影响。同时又在上述参数组合的 最不利情况下，重新整理出偏于安全的N—t表。相对 来说它比以往的N—t表更符合实际。
焊缝的长度实际上是支管与主管相交线长度， 主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀，焊缝 的计算长度取为相交线长度，该相交线是一条空间 曲线。规范取为：
当di/d≤0.65时： lw＝(3.25di－0.025d)(＋0.466)
当di/d>0.65时： lw＝(3.81di－0.389d)(＋0.466)
*
③ 节点板的抗压性能取决于c/t 的大小（c为 受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦
杆的净距），在一般情况下，c/t 愈大稳定承载力