空間網(wǎng)架結構PPT課件

1、1,第二章 空間網(wǎng)架結構,2.1 網(wǎng)架的形式,由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點連結而成的平板空間結構。具有空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點；網(wǎng)架結構廣泛用作體育館、展覽館、俱樂部、影劇院、食堂、會議室、候車廳、飛機庫、車間等的屋蓋結構。具有工業(yè)化程度高、自重輕、穩(wěn)定性好、外形美觀的特點。缺點是匯交于節(jié)點上的桿件數(shù)量較多，制作安裝較平面結構復雜。,2,1. 網(wǎng)架按弦桿層的形式,按弦桿層數(shù)不同可分為雙層網(wǎng)架和三層網(wǎng)架,3,2. 雙層網(wǎng)架的常用形式,（1） 平面桁架系網(wǎng)架 兩向正交正放網(wǎng)架 兩向正交斜放、斜交斜放網(wǎng)架 三向網(wǎng)架,特點：由平面桁架相互交叉所組成，其上、下弦桿長度相等，桿件

2、類型少，且上、下弦桿和腹桿在同一平面內(nèi)。一般應使斜腹桿受拉，豎桿受壓。斜腹桿與弦桿間的夾角宜在4060之間。,4,兩向正交正放網(wǎng)架,由兩組分別與邊界平行的平面桁架互成90交叉組成。同一方向的各平面桁架長度一致。,網(wǎng)架本身屬幾何可變體系。適用于建筑平面為正方形或接近正方形且跨度較小的情況。兩個方向的桿件內(nèi)力差別不大，受力較均勻。,5,兩向正交斜放網(wǎng)架,短桁架對長桁架有嵌固作用，受力有利。角部產(chǎn)生拔力，常取無角部形式。比正交正放網(wǎng)架空間剛度大，受力均勻，用鋼省。適用于建筑平面為矩形的情況。,6,三向網(wǎng)架,特點：幾何不變體系，網(wǎng)架空間剛度大，受力性能好，內(nèi)力分布也較均勻。桿件數(shù)量多，節(jié)點構造比較復雜

3、。三向網(wǎng)架適用于大跨度且建筑平面為三角形、六邊形、多邊形和圓形的情況。,7,（2）四角錐體系網(wǎng)架,正放四角錐網(wǎng)架 正放抽空四角錐網(wǎng)架 棋盤形四角錐網(wǎng)架 斜放四角錐網(wǎng)架 星形四角錐網(wǎng)架,8,正放四角錐網(wǎng)架,正放抽空四角錐網(wǎng)架,桿件受力較均勻，空間剛度比其它類型的四角錐網(wǎng)架及兩向網(wǎng)架好。適用于建筑平面接近正方形的周邊支承及點支承情況。,周邊網(wǎng)格錐體不動外，跳格地抽掉一些四角錐單元中的腹桿和下弦桿，使下弦網(wǎng)格尺寸擴大一倍。適用于中、小跨度或屋面荷載較輕的周邊支承、點支承以及周邊支承與點支承結合的網(wǎng)架。,9,棋盤形四角錐網(wǎng)架 正放四角錐網(wǎng)架周邊四角錐不變，中間四角錐間隔抽空，下弦桿呈正交斜放，上弦桿呈

4、正交正放。上弦桿比下弦桿短，受力合理。克服了斜放四角錐網(wǎng)架屋面板類型多，屋面組織排水較困難的缺點。適用于中、小跨度周邊支承方形或接近方形平面的網(wǎng)架。,10,斜放四角錐網(wǎng)架 上弦桿比下弦桿短，受力合理。桿件數(shù)量少，屋面板類型多，屋面組織排水較困難。適用于中、小跨度周邊支承，或周邊支承與點支承相結合的矩形平面情況。,11,星形四角錐網(wǎng)架,由兩個倒置的三角形小桁架相互正交單元組成。適用于中、小跨度周邊支承方形或接近方形平面的網(wǎng)架。,12,（3）三角錐體系網(wǎng)架,三角錐網(wǎng)架 抽空三角錐網(wǎng)架 蜂窩形三角錐網(wǎng)架,13,三角錐網(wǎng)架 上、下弦平面均為三角形網(wǎng)格。桿件受力均勻，本身為幾何不變體，整體抗扭、抗彎剛度

5、好。適用于大中跨度及重屋蓋建筑物，當建筑平面為三角形、六邊形和圓形時最為適宜。,14,抽空三角錐網(wǎng)架 抽去部分三角錐單元的腹桿和下弦桿。下弦桿內(nèi)力較大，用鋼量省，但空間剛度較三角錐網(wǎng)架小。適用于中、小跨度的三角形、六邊形和圓形等平面的建筑。,15,蜂窩形三角錐網(wǎng)架 上弦為正三角形和正六邊形網(wǎng)格，下弦為正六邊形網(wǎng)格。本身幾何可變。其上弦桿短，下弦桿長，受力合理。適用于中、小跨度周邊支承的情況，可用于六邊形、圓形或矩形平面。,16,2.2 網(wǎng)架選型,根據(jù)建筑平面形狀和跨度大小，支承方式、荷載大小、屋面構造和材料、制作安裝方法等因素。 網(wǎng)架結構設計與施工規(guī)程JGJ 7-91 大跨度為60m以上 中跨

6、度為3060m 小跨度為30m以下,17,1 網(wǎng)架結構的支承及其選型,支承方式: 周邊支承 點支承 周邊支承與點支承相結合 兩邊和三邊支承等。,18,周邊支承,點支承,19,點支承網(wǎng)架受力與鋼筋混凝土無梁樓蓋相似。 為減小跨中正彎矩及撓度，設計時應盡量帶有懸挑，多點支承網(wǎng)架的懸挑長度可取跨度的1413 。,周邊支承與點支承結合,20,各種柱帽形式,點支承網(wǎng)架與柱子相連宜設柱帽以減小沖剪作用。 柱帽可設置于下弦平面之下(圖a)，也可設置于上弦平面之上(圖b)。 當柱子直接支承上弦節(jié)點時，也可在網(wǎng)架內(nèi)設置傘形柱帽(圖c)，這種柱帽承載力較低，適用于中小跨度網(wǎng)架。,21,22,2 網(wǎng)架高度及網(wǎng)格尺寸

7、,網(wǎng)架的高度與屋面荷載、跨度、平面形狀、支承條件、 設備管道等因素有關。,23,3 網(wǎng)架的撓度要求及屋面排水坡度,容許撓度：用作屋蓋L2/250，用作樓蓋L2/300 排水坡度：3%5% 起拱要求：L2/300,24,2.3 網(wǎng)架的計算要點,1.直接作用（荷載）和間接作用 對使用階段荷載作用下的內(nèi)力和位移進行計算，并應根據(jù)具體情況對地震作用、溫度變化、支座沉降等間接作用及施工安裝荷載引起的內(nèi)力和位移進行計算。 （1）永久荷載：網(wǎng)架自重；屋面（或樓面）材料重力；吊頂材料的重力；設備管道的重力。 雙層網(wǎng)架自重gok（kN/m2）,式中，gok網(wǎng)架自重（kN/m2）； L2網(wǎng)架的短向跨度（m）； q

8、w除網(wǎng)架自重外的屋面荷載或樓面荷載的標準值（kN/m2）； 系數(shù)。對桿件采用鋼管的網(wǎng)架取=1.0； 采用型鋼的網(wǎng)架取=1.2。,25,（2）可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風荷載及吊車荷載 （3）抗震驗算： 豎向抗震驗算 設防烈度為8度或9度的地區(qū)，周邊支承及多點支承和周邊支承相結合的網(wǎng)架 v 為豎向地震作用系數(shù)。,26,懸挑長度較大的網(wǎng)架屋蓋結構以及用于樓層的網(wǎng)架結構 ，當設防烈度為8度或9度時，其豎向地震作用標準值可分別取該結構重力荷載代表值的10%或20%。設計基本地震加速度為0.3g時，可取該結構重力荷載代表值的15%。計算重力荷載代表值時，永久荷載取100%，雪荷載和屋面積灰荷載

9、取50%，不計屋面活荷載。 水平抗震驗算 在抗震設防烈度為8度的地區(qū)，對于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架可不進行水平抗震驗算；在抗震設防烈度為9度的地區(qū)，對各種網(wǎng)架結構均應進行水平抗震驗算。,27,（4）溫度內(nèi)力：不計算的條件 支座節(jié)點的構造允許網(wǎng)架側移，且側移值不小于下式的計算值（例如板式橡膠支座）； 周邊支承的網(wǎng)架，當網(wǎng)架驗算方向跨度小于40m，且支承結構為獨立柱或磚壁柱； 在單位力作用下，柱頂位移大于或等于下式的計算值 需要計算時，采用空間桁架位移法，或近似計算方法。,28,（5）荷載及荷載效應組合 對非抗震設計，建筑結構荷載規(guī)范GB 50009 ； 對抗震設計 ，建筑抗震設計規(guī)范GB 5001

10、1 2. 網(wǎng)架內(nèi)力分析方法 按彈性階段計算 （1）空間桁架位移法（空間桿系有限元法） （2）交叉梁系差分法是一種簡化計算方法 （3）擬夾層板法是又一種簡化計算方法 （4）假想彎矩法也屬簡化計算方法,29,2.4 空間桿系有限元法,以網(wǎng)架的桿件為基本單元，以節(jié)點位移為基本未知量。先由桿件內(nèi)力與節(jié)點位移之間的關系建立單元剛度矩陣，然后根據(jù)各節(jié)點平衡及變形協(xié)調(diào)條件建立結構的節(jié)點荷載和節(jié)點位移間關系，形成結構總剛度矩陣和總剛度方程?？倓偠确匠淌且怨?jié)點位移為未知量的線性方程組。引入邊界條件后，求解出各節(jié)點位移值。最后由桿件單元內(nèi)力與節(jié)點位移間關系求出桿件內(nèi)力。 1.基本假定 （1）網(wǎng)架的節(jié)點為空間鉸接節(jié)

11、點，桿件只承受軸力； （2）結構材料為完全彈性，在荷載作用下網(wǎng)架變形很小，符合小變形理論。,30,2.空間桿系有限元法要點,（1）單元剛度矩陣 空間桿系有限單元： 每個桿件共有6個自由度： 對應6個桿端力： 它們之間的關系是,31,式中 即單元剛度矩陣。和結構力學的矩陣位移法一致，只 是相應于剪力的各項均為零。,32,（2）坐標轉換,桿單元在整體坐標系中的位置,33,坐標轉換矩陣T為：,34,（3）結構總剛度矩陣及總剛度方程,（4）結構總剛矩陣中邊界條件的處理方法 位移為零：劃行劃列法和乘大數(shù)法。 彈性約束：將彈簧剛度K0疊加到總剛矩陣中對應的主對角元上。 指定位移：主對角元和右端項乘以大數(shù)R

12、,35,（5）網(wǎng)架的邊界條件及對稱性利用 當網(wǎng)架結構（包括支座）和外荷載有n個對稱面時，可利用對稱條件只分析網(wǎng)架的1/(2n)。 對稱面內(nèi)各桿件的截面積應取原截面面積的一半，n個對稱面交線上的中心豎桿，其截面面積應取原截面面積的1/(2n)。在對稱荷載作用下，對稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點的反對稱位移為零；在反對稱荷載作用下，對稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點的對稱位移應取為零。,36,（6）斜邊界處理 根據(jù)邊界點的位移情況設置具有一定截面積的附加桿 對斜邊界上的節(jié)點位移做坐標變換,（7）桿件內(nèi)力 展開為：,37,3.空間桿系有限元法計算步驟,（1）計算簡圖，對節(jié)點和桿件進行編號； （2）計算桿件單元長度及桿件與整體坐標軸夾

13、角余弦； （3）初選各桿的截面積； （4）建立局部和整體坐標系下的單元剛度矩陣； （5）集合總剛矩陣； （6）建立荷載列陣； （7）引入邊界條件對總剛度方程進行處理； （8）求解總剛度方程，得出各節(jié)點位移值； （9）根據(jù)節(jié)點位移計算桿件內(nèi)力； （10）按桿件內(nèi)力調(diào)整桿件截面，并重新計算，迭代次數(shù)宜不超過45次。,38,2.5 網(wǎng)架桿件設計,截面 鋼管、熱軋型鋼和冷彎薄壁型鋼 計算長度（l為桿件幾何長度）,39,容許長細比 （1）受壓桿件：=180 （2）受拉桿件：一般桿件=400，支座附近處桿件=300，直接承受動力荷載桿件=250。,40,網(wǎng)架節(jié)點型式主要有： （1）按節(jié)點在網(wǎng)架中的位置可分

14、為：中間節(jié)點和支座節(jié)點。 （2）按節(jié)點的連接方式可分為：焊接連接節(jié)點、高強螺栓連接節(jié)點、焊接和高強螺栓混合連接節(jié)點。 （3）按節(jié)點的構造形式可分為：焊接空心球節(jié)點；螺栓球節(jié)點；焊接鋼板節(jié)點；焊接鋼管節(jié)點；桿件直接匯交節(jié)點。 我國常用的是鋼板節(jié)點、焊接空心球節(jié)點、螺栓球節(jié)點。,2.6 節(jié)點設計,41,焊接空心球節(jié)點 螺栓球節(jié)點 焊接鋼板節(jié)點 焊接鋼管節(jié)點 桿件直接匯交節(jié)點,42,網(wǎng)架的節(jié)點構造應滿足下列要求 受力合理，傳力明確； 保證桿件匯交于一點，不產(chǎn)生附加彎矩； 構造簡單，制作安裝方便，耗鋼量??； 避免難于檢查、清刷、涂漆和容易積留濕氣或灰塵的死角或凹槽，管形截面應在兩端封閉。,43,焊接空

15、心球節(jié)點是用兩塊圓鋼板（鋼號Q235鋼或Q345鋼）經(jīng)熱壓或冷壓成兩個半球后對焊而成的。鋼球外徑一般為160500。分加肋與不加肋兩種（圖），當焊接空心球的直徑大于300，且桿件內(nèi)力較大時，采用加肋球。肋板厚度不應小于球壁等厚。 焊接空心球的優(yōu)點是傳力明確，構造簡單，造型美觀，連接方便，適應性強。,1. 焊接空心球節(jié)點,44,45,46,47,48,焊接空心球直徑：,D（d12ad2）/,空心球節(jié)點桿件間縫隙,49,焊接空心球節(jié)點構造,50,受壓空心球承載力設計值：,受拉空心球承載力設計值：,焊縫可按對接焊縫計算，質(zhì)量應達到級要求：否則只能作為斜角角焊縫按下式計算：,51,螺栓球節(jié)點由鋼球、高

16、強螺栓、緊固螺栓、套筒、錐頭或封板等零件組成，適合于連接圓鋼管桿件。 螺栓球節(jié)點的優(yōu)點是節(jié)點小，重量輕，節(jié)點用鋼量約占網(wǎng)架用鋼量的10?？捎糜谌魏涡问降木W(wǎng)架，特別適合于四角錐、三角錐體系的網(wǎng)架。這種節(jié)點安裝極為方便，可拆卸，安裝質(zhì)量宜達到保證。可以根據(jù)具體情況采用散裝、分條拼裝和整體拼裝等安裝方法。螺栓球節(jié)點的缺點是，球體加工復雜，零部件多，加工精度高；價格貴；所需鋼號不一，工序復雜。,2. 螺栓球節(jié)點,52,螺栓球連接節(jié)點圖示,53,54,55,56,57,58,59,鋼球尺寸,螺栓不碰要求：,套筒接觸面要求：,鋼球直徑取式以上兩式的較大值。,60,當相鄰兩桿夾角30時，還要保證相鄰兩根桿件

17、（管端為封板）不相碰要求：,61,螺栓尺寸,62,當桿件管徑較大時采用錐頭連接。管徑較小時采用封板連接。連接焊縫以及錐頭的任何截面應與連接鋼管等強。,桿件端部連接焊縫,錐頭和封板,63,套筒通常開有縱向滑槽(圖)，滑槽寬度一般比銷釘直徑大1.5-2mm。套筒應進行承壓驗算： 套筒端部到開槽端部(或釘孔端)距離應使該處有效截面抗剪力不低于銷釘(或螺釘)抗剪力，且不小于1.5倍開槽的寬度或6mm。套筒端部要保持平整，內(nèi)孔L徑可比螺栓直徑大1mm。,套筒幾何尺寸,64,3. 焊接鋼板節(jié)點,65,鋼板節(jié)點的構造及設計 鋼板節(jié)點的節(jié)點板及蓋板所采用的鋼材應與網(wǎng)架桿件一致。鋼板節(jié)點的構造及設計要點如下：

18、（1）桿件重心線在節(jié)點處宜交與一點，否則應考慮其偏心影響 （2）桿件與節(jié)點連接焊縫的分布，應使焊縫截面的重心與桿件重心重合，否則應考慮其偏心影響； （3）便于制作和拼裝。網(wǎng)架弦桿應與蓋板和節(jié)點板共同連接，當網(wǎng)架跨度較小時，弦桿也可只與節(jié)點板連接； （4）節(jié)點板厚度的選擇與平面桁架的方法相同，應根據(jù)網(wǎng)架最大桿件內(nèi)力確定。節(jié)點板厚度應比連接桿件的厚度大2，且不得小于6。節(jié)點板的平面尺寸應適當考慮制作和裝配的誤差。,66,（5）當網(wǎng)架桿件和節(jié)點板間采用高強螺栓或角焊縫連接時，連接計算應根據(jù)連接桿件內(nèi)力確定，且宜減少節(jié)點類型。當角焊縫強度不足時，在施工質(zhì)量確有保證的情況下，可采用槽焊與角焊縫相結合并以角焊縫為主的連接方案，槽焊強度應由實驗確定。 （6）焊接鋼板節(jié)點上，為確保施焊方便，弦桿與腹桿、腹桿與腹桿之間以及弦桿端部與節(jié)點中心線之間的間隙a均不宜小于20mm。 (7)十字型節(jié)點板的豎向焊縫為雙向的復雜受力狀態(tài)，為確保焊縫有足夠