新型建筑空间网格结构作业答案Word文件下载.docx
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钢筋混凝土空腹网架结构,由钢筋混凝土空腹桁架交叉组成,一般多为两向交叉,但圆形平面和六边形平面也可用三向交叉(60°
夹角)。
正交正放指空腹桁架两向正交与支座亦正交,正交斜放指空腹桁架两向正交但与支座成45°
夹角放置。
构造(含配筋):
钢筋混凝土空腹网架由于没有斜腹杆,节点构造比常规钢筋混凝土平面桁架交叉梁系网架简单,后者在节点处的钢筋构造要求复杂些;
而且为了保证空腹网架节点的刚性,在节点处均作加腋处理;
常规钢筋混凝土平面桁架交叉梁系网架的腹杆承受拉力时还要进行腹杆的配筋,比空腹网架结构配筋复杂。
同时,钢筋混凝土空腹网架结构,靠近支座处桁架剪力较大,杆端弯矩亦大,竖杆做成一字型弯变形,或十字型。
也可以在第一网格加斜杆,此时的网架即可称“混合型空腹网架”,其腹杆压弯变形,配筋时应计算确定。
而常规钢筋混凝土平面桁架交叉梁系网架的斜杆为拉压变形,可以按照构造配筋。
建筑功能:
钢筋混凝土空腹网架结构较规则,造型美观,同时可以在其中布置各种管道。
而常规钢筋混凝土平面交叉梁系网架斜腹杆较多,造型较差,对应的管道布置也较困难。
材料用量:
空腹网架结构采用钢筋混凝土空腹桁架,由于桁架部分被挖空,自重比后者小。
另外,斜腹杆的减少可有效的减小自重,故其钢筋用量较常规平面桁架交叉梁系网架要少。
由于常规钢筋混凝土平面交叉梁系网架节点较钢筋混凝土空腹网架结构要复杂,所以常规钢筋混凝土平面交叉梁系网架配筋也要复杂。
施工难易程度:
钢筋混凝土空腹网架没有斜腹杆,节点构造简单,而常规钢筋混凝土平面交叉梁系网架每个网格都有斜腹杆,施工要复杂很多。
力学特性:
钢筋混凝土空腹网架结构和常规钢筋混凝土平面桁架交叉梁体系网架在高度一致时,抗弯能力相当。
但对于空腹网架来说,由于无斜腹杆,它的弦杆和竖杆除了承受轴力外,还要承受弯矩和剪力,其变形曲线属“剪切型”,剪切变形主要由杆件的压弯产生的;
而常规钢筋混凝土平面桁架交叉梁系网架的剪切变形是由于腹杆的压缩和拉伸产生的轴向变形。
两者抗剪能力有较大的差别,相比较而言,前者的抗剪能力优于后者。
3、装配整体式格构式竖杆钢筋混凝土空腹网架,它的构造与力学特点,试从工程实例(22.5m×
35m)对比分析(与单竖杆空腹网架对比分析);
单竖杆空腹网架和装配整体式竖杆钢筋混凝土空腹网架结构有以下几个方面的不同。
构造:
装配整体式格构式竖杆钢筋混凝土空腹网架上、下弦杆由钢筋混凝土空腹桁架交叉组成,竖杆为格构式竖杆。
当空腹网架跨度
时,为了减小现场浇制的工作量,可做成格构式竖杆的装配整体式空腹网架结构。
节省大量现场浇制的模板,加快施工周期。
装配整体式格构式竖杆(四肢)钢筋混凝土空腹网架的竖杆由四竖杆用十字形缀板组合而成。
其拼装构件为口字形,在交叉点出预制构件,当口形平面框架安装就位后,采用高一级细石混凝土二次浇制拼装节点。
而单竖杆空腹网架竖杆分为单肢方形,单肢十字形或一字形。
力学特性:
装配整体式格构式竖杆中竖杆的弯矩转化成下弦杆的拉力以及上弦杆的压力,故设计时需控制下弦杆的裂缝宽度。
对于格构式竖杆截面来讲,
其剪切刚度公式的表达式为,其中为上、下弦杆延刚度;
为竖杆的延刚度。
格构式竖杆的惯性矩为,和单根杆相比,惯性矩大,故大,大,抗剪刚度大于单根杆。
综合知:
装配式整体式格构式竖杆较单竖杆空腹网架竖杆而言,受力简单,抗剪刚度大。
4、您认为混凝土空腹网架提高抗剪刚度有何构造措施?
根据混凝土空腹网架抗剪刚度的相关计算公式知,提高空腹网架抗剪刚度的构造措施主要可以根据以下几个方面:
1)将杆件制成格构式。
当跨度在24m以内时,可采用格构式竖杆空腹网架;
当跨度大于24m时,为了减轻结构自重及杆端弯矩,其上、下弦杆也可改为格构式,称为“格构式空腹网架”。
2)由于靠支座桁架剪力大,杆端弯矩亦大,可在第一网格加斜腹杆,使之以轴力形式传递剪力。
3)将竖杆做成一字形(一个方向内力大,另一个方向内力不大时),在剪力大的地方(支座)将竖杆制成十字形(两个方向内力较大时),因为竖杆截面变大,惯性矩变大,变大,故可提高抗剪刚度。
5、正交斜放空腹网架与正交正放空腹网架的选用,除了建筑吊顶网格造型要求外,您认为主要根据什么原则选用,才能达到经济适用?
在正交斜放空腹网架与正交正放空腹网架的选用时,必须根据建筑平面尺寸确定,这样才能达到经济适用的目的。
正交正放网架适用于方形平面或矩形平面长边与短边之比小于或等于1.5时,双向受力比较明显,采用此类网格比较合理;
当结构平面尺寸长边与短边之比大于1.5时,为了使两向空腹桁架受力较均匀,最好采用正交斜放空腹网架结构,其短桁架是长桁架的弹性支承,从而使杆件受力较均匀。
6、试设计周边简支承,楼面尺寸24m×
24m正交正放混凝土空腹网架,要求完成:
①网格布置;
②网格各杆件几何尺寸确定;
③变形与内力分析?
④并列出内力(V,N)最大处在那部分?
此处您怎样处理?
(使用设计荷载3kn/㎡),利用现行软件。
网格尺寸:
a=(1/12~1/15)L=(1/12~1/15)×
24000mm=(1600~2000)mm,取a=2m。
平面两个方向共划分为12×
12个网格。
周边简支承楼盖网格布置如图所示:
网架各杆件尺寸:
网架高:
h=(1/16~1/18)L=(1/16~1/18)×
24000mm=(1300~1500)mm,取h=1.3m。
上、下肋高:
h=(1/8~1/10)a=(1/8~1/10)×
2000mm=(200~250)mm,取h=0.25m。
宽:
取单肢方形,b=h=0.25m。
竖杆:
高:
h=0.25m。
宽:
b=0.25m。
利用ANSYS有限元软件计算:
假定空腹网架节点为刚接,将均布荷载q简化为空腹网架的节点荷载Pk=q*a*a。
ANSYS中,网架平面图以及剖面图如下所示:
网架平面图(a)
网架剖面图(b)
结构变形如图所示:
结构内力图如图所示:
由结构变形图及内力图可知:
1)空腹网架结构在周边简支条件下跨中挠度最大;
2)空腹网架结构下弦为拉弯构件,上弦则为压弯构件;
3)竖杆内力为交叉点的两个方向弯矩和剪力,轴力为两者的代数和,即竖杆为压弯构件。
剪力及轴力最大处及其处理:
1)剪力最大发生在支座处,而轴力最大发生在跨中位置;
2)对于剪力最大处,可将竖杆做成一字型或十字型,也可以在第一网格加斜杆;
3)对于轴力最大处,可增大截面尺寸,加强配筋。
作业题
(二)
第二章大跨度钢筋混凝土空腹夹层板楼盖、屋盖结构
1、请您论述钢筋混凝土空腹网架结构和钢筋混凝土空腹夹层板结构,两者相同点是什么?
不同在何处,试从构造、几何尺寸、力学特点方面予以解说;
如下图分别是钢筋混凝土空腹网架剖面几何尺寸(图a)和钢筋混凝土空腹夹层板剖面几何尺寸(图b):
图a空腹网架剖面几何尺寸
图b空腹夹层板剖面几何尺寸
(1)相同点:
①网格划分相同。
对一般非预应力网架,网格尺寸a一般在1500~2000mm之间为好,并每个柱网内网格数n≥5,确保结构具有网格板的力学特性;
②中间均为挖空的结构。
钢筋混凝土空腹网架结构由钢筋混凝土空腹桁架交叉组成,钢筋混凝土空腹夹层板由空腹梁两相正交组成;
(2)不同点:
①面板是否参加工作不同。
空腹网架一般情况下预制板搁于上弦节点短柱上,不参加上弦共同工作;
夹层板的预制板预留钢筋后与上肋共同工作。
②上下弦截面尺寸不同。
空腹夹层板其上、下肋截面尺寸一般为350mm×
150(200)mm或400mm×
200(250)mm,要求,与空腹网架的截面形式相反;
空腹网架上、下弦截面尺寸,如200mm×
250mm、250mm×
300mm等。
③连接上、下弦的竖杆尺寸不同。
空腹网架中,竖杆截面宽与上、下弦杆宽相同,竖杆截面一般为,此时一般之间,竖杆为“梁-柱单元”;
空腹夹层板竖杆截面一般仍为且,力学特性改变为“超短住”或“块体单元”,或称“剪力键”。
④结构高度不同。
空腹网架高h在(1/15~1/18)L之间;
空腹夹层板厚度h在(1/30~1/35)L之间,一般等于实心平板的厚度。
⑤抗剪刚度不同。
抗剪刚度的表达式为即
可知增大,增大。
空腹夹层板竖杆为短柱,其延刚度远大于空腹网架竖杆的延刚度,当空腹网架与空腹夹层板上、下弦(肋)延刚度相近时,空腹夹层板抗剪刚度远大于空腹网架的抗剪刚度,是空腹网架的3~4倍。
由于抗剪刚度的提高,空腹节点转角值减少,则空腹夹层板由于剪切变形影响产生的杆端弯矩亦相应减小。
⑥抗弯刚度不同。
空腹网架折算惯性矩(面板不参加工作);
空腹夹层板折算惯性矩(面板参加工作)。
当两种结构在相同厚度的情况下,考虑到,自然空腹夹层板的折算惯性矩大于空腹网架的折算惯性矩,空腹夹层板的抗弯刚度相对于空腹网架抗弯刚度略有下降。
2、钢筋混凝土密肋井字楼盖与钢筋混凝土空腹夹层板楼盖两者有何不同,试从构造、几何尺寸、力学特点方面予以论述(对比分析条件均为24m×
24m,周边简支承,使用设计荷载3kn/㎡);
①构造方面
钢筋混凝土密肋井字楼盖由交叉梁格和双向板组成,整个楼盖像一块双向带肋的大型双向楼板。
它与现浇单向板肋形楼盖的主要区别是,两个方向梁的截面高度通常相等,没有主梁与次梁之分,共同承受楼板传来的荷载。
它与现浇双向板肋形楼盖的主要区别是,在梁的交叉点处不设柱,梁的间距一般为
1.5~3m,比双向板肋形楼盖中梁的间距小。
由于双向设梁,双向传力,且梁距较密,梁的截面高度较小。
钢筋混凝土空腹夹层板楼盖则由上、下肋,剪力键组成一空间“网格板”。
上、下肋用剪力键相连保证共同工作。
该“网格板”上预制板预留钢筋与上肋共同工作。
一般上、下肋截面宽度大于等于高度,竖杆截面高宽比小于等于1。
其结构高度一般等于实心平板的厚度。
同时,钢筋混凝土空腹夹层板楼盖是由钢筋混凝土空腹梁两相正交组成上、下肋,中间用剪力键连为整体,属于空间网格结构。
②几何尺寸方面
钢筋混凝土密肋井字楼盖:
梁高:
h=(1/16~1/18)L(L
为建筑平面短边尺寸)
梁宽:
b=(1/3~1/4)h
钢筋混凝土空腹夹层板楼盖:
厚度:
h=(1/30~1/35)L,上、下肋截面b≥h,竖杆截面:
h/b≤1
③力学特点
钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构抗剪刚度为有限,而常规密肋井字楼盖结构抗剪刚度为无限,故前者的力学模型属“考虑结构剪切变形的拟夹层板”,后者采用一般的“拟板法”。
3、钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构高度与常规密肋井字楼盖结构相等(h=L/30~L/35)L为短跨,但前者抗剪刚度为有限,后者抗剪刚度为无限,您分析是什么内在原因使两者相对刚度(fmax/L)均满足规程限值?
要求?
钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构抗剪刚度为有限,结构的整体刚度主要体现在结构的变形方面,而结构的变形主要涉及结构承受的外力作用,同等厚度的空腹夹层板与密肋井字楼盖相比,结构自重下降十分显著,结构的竖向挠度与荷载成正比与刚度成反比,故其相对整体刚度并不比密肋井字楼盖低。
因此,在荷载作用下的变形可满足规范限值要求。
常规密肋井字楼盖虽然自重较大,但其抗剪刚度为无限,因此整体刚度好,所以在荷载作用下的变形仍可符合规范限值要求。
规范限值要求:
当
<
7m时,
=
/200/(
/250)
当
时,
/250/(
/300)
>
9m时,
/300/(
/400)
4、钢筋混凝土空腹夹层板楼盖实用分析方法是利用“折算抗弯刚度相等”原理,忽略两者抗剪刚度C空<C密,您采用现行软件分析时要注意什么?
如忽略将造成什么后果?
由抗弯刚度等效原则,将空腹网格梁折算成实腹网格梁,如图所示。
设空腹梁与实腹梁高度h相等,则等代实腹梁宽为,
但要注意截面面积不一样,混凝土自重不一样,配筋不一样,因为自重大则配筋多,采用现行软件分析时要注意对混凝土容重进行折减,即混凝土自重
(0.83即是折减系数)。
如果在利用现行软件进行分析时,对自重不进行折减,则可能造成钢筋的浪费。
5、试设计周边简支承楼面尺寸24m×
24m正交正放钢筋混凝土空腹夹层板楼盖,要求完成:
②夹层板各构件几何尺寸确定;
③变形与内力分析(利用现行软件);
④内力(N,V)最大处,您怎样处理?
(使用荷载3kn/㎡,利用现行软件),此类结构若将跨度增大为36m×
36m,将会出现哪些问题,您将此采用什么方法解决?
(组合空腹夹层板楼盖除外,后面要讨论,此处不采用组合结构);
a=(1500~2000)mm,取a=2m。
h=(1/30~1/35)L=(1/30~1/35)×
24000mm=(690~800)mm,取h=0.75m。
一般为150mm、200mm或250mm,取h=0.25m。
一般为350mm或400mm,取b=0.4m。
b=0.4m。
网架平面图
网架剖面图
结构变形图如下所示:
结构内力图如下所示:
1)空腹夹层板结构在周边简支条件下跨中挠度最大。
2)空腹夹层板结构下弦为拉弯构件,上弦则为压弯构件。
3)竖杆内力主要为剪力,轴力为两者的代数和。
1)剪力最大发生在支座端,而轴力最大发生在跨中位置。
2)对于内力最大处,加强配筋。
作业题(三)
第三章大柱网(7.2m×
8.2m、8m×
8.6m……9m×
10m)多高层现浇混凝土单向空心楼盖结构
1、您认为“现浇混凝土单向空心楼盖”两种专利技术(ZL99232921.3、ZL03233169.X)有何不同,试从管的构造、结构布置、设计计算与配筋等全方位对比分析;
图aCBF堵头管图b水泥砂浆开口薄壁管
构造
“CBF”管称为高强复合薄壁管,它由水泥胶凝材料、玻璃纤维网格布、粉煤灰制作形成内部空腔,两端加堵头,长度在1.5~2m的薄壁管(图a);
“CA-CSP”管称为离心石棉水泥砂浆管,利用“离心成型”原理制成,是水泥砂浆掺石棉纤维的“离心成型”,其构造特点是开口薄壁,布管时只在框架梁的侧壁加堵头(图b)。
结构布置(以10800×
10800柱网为例)
“CBF”管沿板短跨方向一段一段布置,中间空100~150mm形成暗梁(如图3.2a、b);
“CA-CSP”管沿板短跨方向布置,管长1.5~2m,一根接一根布置,接头处由”模管管卡“连接。
图3.3a、b所示布管图
图3.2aGBF管结构布置图图3.2bGBF管垂直管方向与平行管方向剖面图
图3.3aCA—CSP布管平面图图3.3bCA—CSP垂直方向与顺管方向剖面图
设计计算
“CBF”管形成暗梁,采用等代框架法。
“CA-CSP”管的大板具有正交异性和正负弯矩变化梯度大的特性,一般采用实用分析方法——综合刚度法和归并法。
配筋
“CBF”管的配筋:
板短跨方向每段管之间100~150mm
配筋从而形成暗梁。
“CA-CSP”管的配筋:
①与管正交钢筋设在空心板上、下表皮位置;
②平行管方向的钢筋不允许设在管顶部,离开400;
③箍筋采用单肢S
型。
2、您认为“现浇混凝土单向空心楼盖”应用于大跨度(18m~36m)楼盖有何不妥?
它与空腹网架和空腹夹层板两者对比分析,其建筑用材(混凝土、钢)还有优势吗?
此类结构用于大柱网多、高层楼盖结构其优点究竟体现在什么地方?
现浇混凝土单向空心楼盖垂直管方向剖面图
如上图为现浇混凝土单向空心楼盖垂直管方向剖面图。
孔隙率为实际折算厚度为,单向空心楼盖孔隙率一般为
30%,最大为40%,空腹网架的孔隙率可达70%。
当结构跨度为36m时,空心板厚1.2m,与空腹网架和空腹夹层板对比,折算厚度大,故其建筑用材(混凝土、钢)并无优势可言。
现浇混凝土单向空心楼盖结构用于大柱网多、高层楼盖结构其优点体现在以下几个方面:
1施工简单,施工精度极高;
2模板少,支模方便简单;
3、“矩形网格板法”从实用分析方法角度分析,它属精确方法,但它与“ANSYS”有限元分析方法对比分析,不能称之为“精确分析方法”为什么?
试从力学原理分析之。
现浇混凝土空心大板由于其单向空心构造造成其“正交异性”特性,加之其构造上一个方向为工字型密肋梁,与之正交的另一个方向形成空腹密肋梁。
其网格划分即以两根密肋工字梁之间距ay为单位,利用折算抗弯刚度等效原理,可求出单位抗弯刚度较差的空腹梁的网格尺寸ax,自然ax>
ay,即形成“矩形网格板”。
通常空心大板跨度尺寸在7~10m内变化,密肋梁间距ay在250至350mm之间变化。
由以上分析可知,“矩形网格板法”网格划分以密肋工字型梁之间的间距ay为最小网格尺寸,因此,其网格划分不能更细,所以相对于可更细分的“ANSYS”有限元分析方法而言,不能称之为“精确分析方法”,但是对于空心大板而言,这种网格划分是较密的,其精确度相对较高。
因此,从实用角度分析,它属于精确方法。
4、您认为“综合刚度法”和“归并法”(地区规程“现浇混凝土圆孔空心楼盖结构技术规程”DB22/48—2005)与行业标准“现浇混凝土空心楼盖结构(CECS175:
2004)”中的“等代框架法(P16页的4.6节)有什么不同?
”
①“综合刚度法”是在柱上板带中内力变化梯度较陡的部分,采用既分离又综合的方法,靠框架梁最近的第一、二根梁截面叠加。
再第三、四、五、六根梁叠加,跨中板带两正交的梁分别各自叠加,形成不规则的网格的交叉梁系。
并且对综合后的第一根梁乘增大系数
,第二根梁乘增大系数
。
②“归并法”则在柱上板带离框架梁最近的第一根梁分开,第二、三、叠加,第四、五、六叠加,剩下的均综合为中间梁,形成不规则的网格交叉梁系,此方法由于将梯度变化级差较大的第一根梁分开,其他大幅度减小级差,因此该方法无需再乘弯矩增大系数
③“等代框架法”在等代的过程中,柱上板带宽中包含框架梁以及密肋梁或空腹梁,在按等代框架方法求出的负弯矩
,按框架梁抗弯刚度
和各实腹梁
或空腹梁
刚度分配,可得到框架梁以及密肋梁或空腹梁的负弯矩值。
而对于密肋梁或空腹梁的负弯矩和,在等代框架法中,各密肋梁或空腹梁分配的弯矩用平均值代替,因此,在靠近框架梁的前几根梁实际发生的负弯矩值远远大于平均负弯矩值,用平均负弯矩值配筋,将会导致结构不安全;
而将平均值用于中间梁时,配筋又大大超过实际需要的配筋值,造成既不安全又浪费的后果。
由以上分析可知,“综合刚度法”和“归并法”都考虑了柱上板带区域内各相邻两根密肋工字梁和与之正交的相邻空腹梁的内力变化梯度很大这个因素。
相反,“等代框架法”却没有考虑该因素。
该方法没有反映空心大板内力分布规律,所以是一种过于粗糙的方法。
综合刚度法和归并法,此方法既针对内力变化大、小分区布筋,又大幅度减少施工的难度,合理的配筋使结构用钢量大幅度下降。
而对无梁楼盖的设计计算方法的等代框架法的框架梁正好在柱上板带负弯矩变化梯度最大处,它没有反映空心大板内力分布规律,没有解决在柱上板带的密肋梁内力变化梯度很陡,内力值级差很大的问题,故不适用于框架空心大板结构的设计。
5、图示大柱网多层(五层)建筑,柱网9000㎜×
12000㎜,层高3.6m,采用现浇混凝土框架扁梁空心楼盖结构,使用标准荷载2.5kn/㎡,外墙采用湖南省常规作法,试用“综合刚度法”或“归并法”进行结构计算及配筋,并进行经济分析,(采用通用的软件)?
采用“归并法”进行计算,计算步骤如下:
1).利用抗弯刚度等效原则,将两正交方向对应的工字梁和空腹梁折算为矩形截面梁(b×
h);
2).在柱上板带离框架梁最近的第一根梁分开,第二、三叠加,第四、五、六叠加,剩下的均综合为中间梁,形成不规则的网格的交叉梁系。
根据归并法及A-A
剖面图,即:
由
可知:
由抗弯刚度等效原则,实腹梁截面高度取h=0.3m,则
综上:
网格尺寸:
实腹梁截面尺寸:
框架梁截面尺寸:
设计使用荷载:
空心板空心率:
折算厚度:
自重设计值:
该现浇混凝土框架扁梁空心楼盖结构网格梁布置图如下所示;
弯矩分布如图所示:
经济分析:
“归并法”相对“矩形网格板法”而言,简化了许多,网格数大为减少,每块空心大板都可减少很多“梁单元”。
工作量减少可想而知。
在结构安全得到保证的前提下,节约了大量钢材,从而能达到“安全、合理、经济”的目的。
作
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- 新型 建筑 空间 网格 结构 作业 答案