平面桁架系網(wǎng)架課件

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體系網(wǎng)架的形式網(wǎng)架計算要點網(wǎng)架的設計主要內(nèi)容：重點：網(wǎng)架的形式網(wǎng)架的設計（桿件和節(jié)點）第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體系主第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)形式平面結(jié)構(gòu)體系梁式結(jié)構(gòu)（平面桁架、空間桁架），平面剛架和拱式結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)體系平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)，斜拉結(jié)構(gòu)，張拉整體結(jié)構(gòu)等第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)形式平面結(jié)構(gòu)體系第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.2網(wǎng)架的形式按弦桿層數(shù)不同可分為雙層網(wǎng)架和三層網(wǎng)架

(a)(b)

上弦

腹桿

下弦

下弦中弦

上腹桿

下腹桿

上弦第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.2網(wǎng)架的形式按弦桿層數(shù)不同可分為雙第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)幾何不變的必要條件：

W=3J-m-r≤0幾何可變體系的判斷：

[K]中對角線上出現(xiàn)零元素

|K|=0

3.2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變性分析第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)幾何不變的必要條件：3.2.1第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)平面桁架系網(wǎng)架兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交斜放網(wǎng)架三向網(wǎng)架

3.2.2雙層網(wǎng)架常用的形式特點：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40°～60°之間

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)平面桁架系網(wǎng)架3.2.2雙層網(wǎng)架常用的形第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交正方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第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交正方由兩組分別與第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放短桁架對長桁第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放幾何不變體系，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(gòu)造比較復雜。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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放幾何不變體系第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)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)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)四角錐體系網(wǎng)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放四角錐網(wǎng)架正放四角錐網(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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放四角錐網(wǎng)架正放四角錐網(wǎng)架桿件受力較均第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放抽空四角錐網(wǎng)架兩向正交斜放周邊網(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(jié)合的網(wǎng)架。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放抽空四角錐網(wǎng)架兩向正交斜放周邊網(wǎng)格錐第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)棋盤形四角錐網(wǎng)架棋盤形四角錐網(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，上弦桿呈正交正放?？朔诵狈潘慕清F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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)棋盤形四角錐網(wǎng)架棋盤形四角錐網(wǎng)架正放四角第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)斜放四角錐網(wǎng)架斜放四角錐網(wǎng)架受力合理，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(jié)合的矩形平面情況。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)斜放四角錐網(wǎng)架斜放四角錐網(wǎng)架受力合理，桿第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)星形四角錐網(wǎng)架星形四角錐網(wǎng)架將四角錐底面的四桿換為十字交叉桿,并加中豎桿形成。適用于中、小跨度周邊支承方形或接近方形平面的網(wǎng)架。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)星形四角錐網(wǎng)架星形四角錐網(wǎng)架將四角錐底面第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)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)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)三角錐體系網(wǎng)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)三角錐網(wǎng)架三角錐網(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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)三角錐網(wǎng)架三角錐網(wǎng)架上、下弦平面均為三角第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抽空三角錐網(wǎng)架抽空三角錐網(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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抽空三角錐網(wǎng)架抽空三角錐網(wǎng)架抽去部分三角第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)蜂窩形三角錐網(wǎng)架蜂窩形三角錐網(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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)蜂窩形三角錐網(wǎng)架蜂窩形三角錐網(wǎng)架上弦為正第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)大跨度為60m以上中跨度為30～60m小跨度為30m以下

3.2.3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(gòu)造和材料、制作安裝方法等因素?！毒W(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》JGJ7-91第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.2.3網(wǎng)架選型根據(jù)建筑平面形狀和跨度第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承點支承周邊支承與點支承相結(jié)合兩邊和三邊支承等第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承點支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承點支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承和點支承結(jié)合第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承和點支承結(jié)合第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架高度及網(wǎng)格尺寸：網(wǎng)架的高度與屋面荷載、跨度、平面形狀、支承條件及設備管道等因素有關。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架高度及網(wǎng)格尺寸：網(wǎng)架的高度第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度要求及屋面排水坡度

用小立柱起拱

網(wǎng)架屋面找坡

找坡立柱

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

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度要求及屋面排水坡度用小立第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.3網(wǎng)架的計算要點滿足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》JGJ7-91的規(guī)定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。永久荷載：①網(wǎng)架自重；②屋面（或樓面）材料重力；③吊頂材料的重力；④設備管道的重力。3.3.1直接作用（荷載）和間接作用第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.3網(wǎng)架的計算要點滿足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風荷載及吊車荷載抗震驗算：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(jié)合的網(wǎng)架屋蓋水平抗震驗算：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(jié)構(gòu)均應進行水平抗震驗算第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風荷第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力：不計算的條件①支座節(jié)點的構(gòu)造允許網(wǎng)架側(cè)移，且側(cè)移值不小于下式的計算值；②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(jié)構(gòu)為獨立柱或磚壁柱；③在單位力作用下，柱頂位移大于或等于下式的計算值第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力：不計算的條件第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)荷載及荷載效應組合：對非抗震設計，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009；對抗震設計，《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011需要計算溫度應力時，采用空間桁架位移法，或近似計算方法：第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)荷載及荷載效應組合：需要計算第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)空間桁架位移法（空間桿系有限元法）交叉梁系差分法是一種簡化計算方法擬夾層板法是又一種簡化計算方法假想彎矩法也屬簡化計算方法3.3.2網(wǎng)架內(nèi)力分析方法按彈性階段計算第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)空間桁架位移法（空間桿系有限元法）3.3第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.4空間桿系有限元法方法介紹：

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(jié)構(gòu)的節(jié)點荷載和節(jié)點位移間關系，形成結(jié)構(gòu)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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.4空間桿系有限元法方法介紹：第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的節(jié)點為空間鉸接節(jié)點，桿件只承受軸力；結(jié)構(gòu)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。3.4.1基本假定第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的節(jié)點為空間鉸接節(jié)點，桿件只承受軸力第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)單元剛度矩陣空間桿系有限單元：每個桿6個自由度3.4.2空間桿系有限元法要點對應6個桿端力它們之間的關系是第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)單元剛度矩陣3.4.2空間桿系有限元法第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)式中即單元剛度矩陣。和結(jié)構(gòu)力學的矩陣位移法一致，只是相應于剪力的各項均為零第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)式中即單元剛度矩陣。和結(jié)構(gòu)力學第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換桿單元在整體坐標系中的位置

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換桿單元在整體坐標系中的位置第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換矩陣[T]為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換矩陣[T]為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)總剛度矩陣及總剛度方程結(jié)構(gòu)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第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)總剛度矩陣及總剛度方程結(jié)構(gòu)總剛矩陣中第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的邊界條件及對稱性利用當網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的邊界條件及對稱性利用第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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)點位移做坐標變換桿件內(nèi)力展開為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)斜邊界處理桿件內(nèi)力展開為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)計算簡圖，對節(jié)點和桿件進行編號；計算桿件單元長度及桿件與整體坐標軸夾角余弦；初選各桿的截面積；建立局部和整體坐標系下的單元剛度矩陣；集合總剛矩陣，采用變帶寬一維存貯方式；建立荷載列陣；引入邊界條件對總剛度方程進行處理；求解總剛度方程，得出各節(jié)點位移值；根據(jù)節(jié)點位移計算桿件內(nèi)力；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4～5次。3.4.3空間桿系有限元法計算步驟第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)計算簡圖，對節(jié)點和桿件進行編號；3.4.第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5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）

網(wǎng)架桿間計算長度l

0第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5網(wǎng)架桿件設計截面網(wǎng)架桿間計算長度第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)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第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)容許長細比第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5節(jié)點設計形式：焊接空心球節(jié)點(P.121,圖3-30)

螺栓球節(jié)點(P.123,圖3-34)

焊接鋼板節(jié)點(P.128,圖3-43)

焊接鋼管節(jié)點(P.120,圖3-28)

桿件直接匯交節(jié)點(P.120,圖3-29)

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5節(jié)點設計形式：第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)D＝（d1＋d2＋2a）/θ3.6.1焊接空心球節(jié)點空心球節(jié)點桿件間縫隙

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)D＝（d1＋d2＋2a）/θ3.6.1焊第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.2螺栓球節(jié)點螺栓球連接節(jié)點圖示

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.2螺栓球節(jié)點螺栓球連接節(jié)點圖示第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)鋼球尺寸螺栓不碰要求：套筒接觸面要求：鋼第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)當相鄰兩桿夾角θ＜30°時，還要保證相鄰兩根桿件（管端為封板）不相碰要求：第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)當相鄰兩桿夾角θ＜30°時，還要第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)螺栓尺寸第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)螺栓尺寸第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.3焊接鋼板節(jié)點焊接鋼板節(jié)點第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.3焊接鋼板節(jié)點焊接鋼板節(jié)點第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.4支座節(jié)點角位移受到很大的約束，只適用于較小跨度網(wǎng)架平板壓力或拉力支座

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.4支座節(jié)點角位移受到很大的約束，第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)角位移未受約束，適用于中小跨度網(wǎng)架單面弧形壓力支座第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)角位移未受約束，適用于中小跨度網(wǎng)架單面弧第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)

適用于較大跨度網(wǎng)架。在承受拉力的錨栓附近應設加勁肋以增強節(jié)點剛度單面弧形拉力支座第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)適用于較大跨度網(wǎng)架。在承受拉力的第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)支座和底板間設有弧形塊，上下面都是柱面，支座既可轉(zhuǎn)動又可平移雙面弧形拉力支座第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)支座和底板間設有弧形塊，上下面都第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)只能轉(zhuǎn)動而不能平移，適用于多支點支承的大跨度網(wǎng)架球鉸壓力支座第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)只能轉(zhuǎn)動而不能平移，適用于多支點第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)通過橡膠墊的壓縮和剪切變形，支座既可轉(zhuǎn)動又可平移。如果在一個方向加限制，支座為單向可側(cè)移式，否則為兩向可側(cè)移式板式橡膠支座第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)通過橡膠墊的壓縮和剪切變形，支座第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.7網(wǎng)殼按組成層數(shù)分：單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼按曲面外形：球面網(wǎng)殼、柱面網(wǎng)殼、雙曲扁網(wǎng)殼、扭曲面網(wǎng)殼、單塊扭網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼，以及切割或組合形成曲面網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)形式3.7.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.7網(wǎng)殼按組成層數(shù)分：單層網(wǎng)殼和雙層第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.7.2網(wǎng)殼的一般計算原則網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在外在作用下的內(nèi)力、位移及整體穩(wěn)定計算除工作荷載之外，還應根據(jù)具體情況包括地震、溫度變化、支座沉降及施工安裝荷載等效應第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.7.2網(wǎng)殼的一般計算原則第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.7.3網(wǎng)殼的設計及計算網(wǎng)殼的內(nèi)力分析網(wǎng)殼是一個準柔性的高次超靜定結(jié)構(gòu)，幾何非線性較其它結(jié)構(gòu)明顯，其整體穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)幾何形狀的變化也很敏感。目前網(wǎng)殼計算主要是采用考慮幾何非線性的有限單元法。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.7.3網(wǎng)殼的設計及計算網(wǎng)殼的內(nèi)力分析第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼的穩(wěn)定性采用非線性有限單元法，取det|K|＝0求臨界荷載臨界荷載的折減(缺陷)第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼的穩(wěn)定性第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼桿件及節(jié)點設計計算長度容許長細比驗算內(nèi)容網(wǎng)殼中軸心受力桿件，壓彎、拉彎桿件應按現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范驗算其強度和穩(wěn)定。節(jié)點設計網(wǎng)殼桿件采用圓鋼管時，鉸接節(jié)點可采用螺栓球節(jié)點，剛接可采用焊接空心球節(jié)點。桿件采用角鋼組合截面時，可采用鋼板節(jié)點，計算與網(wǎng)架節(jié)點相同第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼桿件及節(jié)點設計第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)

大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體系網(wǎng)架的形式網(wǎng)架計算要點網(wǎng)架的設計主要內(nèi)容：重點：網(wǎng)架的形式網(wǎng)架的設計（桿件和節(jié)點）第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體系主第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)形式平面結(jié)構(gòu)體系梁式結(jié)構(gòu)（平面桁架、空間桁架），平面剛架和拱式結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)體系平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)，斜拉結(jié)構(gòu)，張拉整體結(jié)構(gòu)等第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)形式平面結(jié)構(gòu)體系第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.2網(wǎng)架的形式按弦桿層數(shù)不同可分為雙層網(wǎng)架和三層網(wǎng)架

(a)(b)

上弦

腹桿

下弦

下弦中弦

上腹桿

下腹桿

上弦第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.2網(wǎng)架的形式按弦桿層數(shù)不同可分為雙第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)幾何不變的必要條件：

W=3J-m-r≤0幾何可變體系的判斷：

[K]中對角線上出現(xiàn)零元素

|K|=0

3.2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變性分析第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)幾何不變的必要條件：3.2.1第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)平面桁架系網(wǎng)架兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交斜放網(wǎng)架三向網(wǎng)架

3.2.2雙層網(wǎng)架常用的形式特點：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40°～60°之間

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)平面桁架系網(wǎng)架3.2.2雙層網(wǎng)架常用的形第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交正方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第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交正方由兩組分別與第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放短桁架對長桁第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放幾何不變體系，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(gòu)造比較復雜。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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放幾何不變體系第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)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)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)四角錐體系網(wǎng)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放四角錐網(wǎng)架正放四角錐網(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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放四角錐網(wǎng)架正放四角錐網(wǎng)架桿件受力較均第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放抽空四角錐網(wǎng)架兩向正交斜放周邊網(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(jié)合的網(wǎng)架。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)正放抽空四角錐網(wǎng)架兩向正交斜放周邊網(wǎng)格錐第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)棋盤形四角錐網(wǎng)架棋盤形四角錐網(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，上弦桿呈正交正放?？朔诵狈潘慕清F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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)棋盤形四角錐網(wǎng)架棋盤形四角錐網(wǎng)架正放四角第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)斜放四角錐網(wǎng)架斜放四角錐網(wǎng)架受力合理，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(jié)合的矩形平面情況。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)斜放四角錐網(wǎng)架斜放四角錐網(wǎng)架受力合理，桿第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)星形四角錐網(wǎng)架星形四角錐網(wǎng)架將四角錐底面的四桿換為十字交叉桿,并加中豎桿形成。適用于中、小跨度周邊支承方形或接近方形平面的網(wǎng)架。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)星形四角錐網(wǎng)架星形四角錐網(wǎng)架將四角錐底面第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)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)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)三角錐體系網(wǎng)架第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)三角錐網(wǎng)架三角錐網(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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)三角錐網(wǎng)架三角錐網(wǎng)架上、下弦平面均為三角第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抽空三角錐網(wǎng)架抽空三角錐網(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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)抽空三角錐網(wǎng)架抽空三角錐網(wǎng)架抽去部分三角第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)蜂窩形三角錐網(wǎng)架蜂窩形三角錐網(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。

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)蜂窩形三角錐網(wǎng)架蜂窩形三角錐網(wǎng)架上弦為正第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)大跨度為60m以上中跨度為30～60m小跨度為30m以下

3.2.3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(gòu)造和材料、制作安裝方法等因素。《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》JGJ7-91第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.2.3網(wǎng)架選型根據(jù)建筑平面形狀和跨度第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承點支承周邊支承與點支承相結(jié)合兩邊和三邊支承等第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承點支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承點支承第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承和點支承結(jié)合第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承周邊支承和點支承結(jié)合第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架高度及網(wǎng)格尺寸：網(wǎng)架的高度與屋面荷載、跨度、平面形狀、支承條件及設備管道等因素有關。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架高度及網(wǎng)格尺寸：網(wǎng)架的高度第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度要求及屋面排水坡度

用小立柱起拱

網(wǎng)架屋面找坡

找坡立柱

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

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度要求及屋面排水坡度用小立第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.3網(wǎng)架的計算要點滿足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》JGJ7-91的規(guī)定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。永久荷載：①網(wǎng)架自重；②屋面（或樓面）材料重力；③吊頂材料的重力；④設備管道的重力。3.3.1直接作用（荷載）和間接作用第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.3網(wǎng)架的計算要點滿足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風荷載及吊車荷載抗震驗算：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(jié)合的網(wǎng)架屋蓋水平抗震驗算：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(jié)構(gòu)均應進行水平抗震驗算第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風荷第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力：不計算的條件①支座節(jié)點的構(gòu)造允許網(wǎng)架側(cè)移，且側(cè)移值不小于下式的計算值；②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(jié)構(gòu)為獨立柱或磚壁柱；③在單位力作用下，柱頂位移大于或等于下式的計算值第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力：不計算的條件第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)荷載及荷載效應組合：對非抗震設計，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009；對抗震設計，《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011需要計算溫度應力時，采用空間桁架位移法，或近似計算方法：第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)荷載及荷載效應組合：需要計算第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)空間桁架位移法（空間桿系有限元法）交叉梁系差分法是一種簡化計算方法擬夾層板法是又一種簡化計算方法假想彎矩法也屬簡化計算方法3.3.2網(wǎng)架內(nèi)力分析方法按彈性階段計算第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)空間桁架位移法（空間桿系有限元法）3.3第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.4空間桿系有限元法方法介紹：

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(jié)構(gòu)的節(jié)點荷載和節(jié)點位移間關系，形成結(jié)構(gòu)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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.4空間桿系有限元法方法介紹：第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的節(jié)點為空間鉸接節(jié)點，桿件只承受軸力；結(jié)構(gòu)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。3.4.1基本假定第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的節(jié)點為空間鉸接節(jié)點，桿件只承受軸力第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)單元剛度矩陣空間桿系有限單元：每個桿6個自由度3.4.2空間桿系有限元法要點對應6個桿端力它們之間的關系是第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)單元剛度矩陣3.4.2空間桿系有限元法第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)式中即單元剛度矩陣。和結(jié)構(gòu)力學的矩陣位移法一致，只是相應于剪力的各項均為零第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)式中即單元剛度矩陣。和結(jié)構(gòu)力學第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換桿單元在整體坐標系中的位置

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換桿單元在整體坐標系中的位置第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換矩陣[T]為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)坐標轉(zhuǎn)換矩陣[T]為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)總剛度矩陣及總剛度方程結(jié)構(gòu)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第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)總剛度矩陣及總剛度方程結(jié)構(gòu)總剛矩陣中第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的邊界條件及對稱性利用當網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（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。第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的邊界條件及對稱性利用第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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)點位移做坐標變換桿件內(nèi)力展開為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)斜邊界處理桿件內(nèi)力展開為第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)計算簡圖，對節(jié)點和桿件進行編號；計算桿件單元長度及桿件與整體坐標軸夾角余弦；初選各桿的截面積；建立局部和整體坐標系下的單元剛度矩陣；集合總剛矩陣，采用變帶寬一維存貯方式；建立荷載列陣；引入邊界條件對總剛度方程進行處理；求解總剛度方程，得出各節(jié)點位移值；根據(jù)節(jié)點位移計算桿件內(nèi)力；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4～5次。3.4.3空間桿系有限元法計算步驟第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)計算簡圖，對節(jié)點和桿件進行編號；3.4.第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5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）

網(wǎng)架桿間計算長度l

0第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5網(wǎng)架桿件設計截面網(wǎng)架桿間計算長度第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)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第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)容許長細比第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5節(jié)點設計形式：焊接空心球節(jié)點(P.121,圖3-30)

螺栓球節(jié)點(P.123,圖3-34)

焊接鋼板節(jié)點(P.128,圖3-43)

焊接鋼管節(jié)點(P.120,圖3-28)

桿件直接匯交節(jié)點(P.120,圖3-29)

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.5節(jié)點設計形式：第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)D＝（d1＋d2＋2a）/θ3.6.1焊接空心球節(jié)點空心球節(jié)點桿件間縫隙

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)D＝（d1＋d2＋2a）/θ3.6.1焊第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)焊接空心球節(jié)點構(gòu)造第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.2螺栓球節(jié)點螺栓球連接節(jié)點圖示

第3章大跨屋蓋結(jié)構(gòu)3.6.2螺栓球節(jié)點螺栓球連接節(jié)點圖示