一級注冊結構師培訓鋼結構-空間網(wǎng)架

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、

、影劇院、

、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。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(a)(b)上弦腹桿下弦下弦中弦上腹桿下腹桿2.

雙層網(wǎng)架的常用形式平面桁架系網(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。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。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)間剛度大，受力均勻，用鋼省。適用于建筑平面為矩形的情況。三向網(wǎng)架特點：幾何不變體系，網(wǎng)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。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。（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。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。上弦桿比下弦桿短，受力合理?？朔诵狈潘慕清F網(wǎng)架屋面板類型多，屋面組織排水較

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。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。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。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。（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。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。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。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?！毒W(wǎng)架結構設計與施工規(guī)程》JGJ

7-91大跨度為60m以上中跨度為30～60m小跨度為30m以下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。周邊支承

l/4

l

l

l/3ll/3l/4ll/3

l

l/3點支承點支承網(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1／4～1／3。周邊支承與點支承結合

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。常用網(wǎng)架選型表支承方式平面形狀跨度網(wǎng)架形式周邊支承矩形L1/L2≤

1.5≤

60m斜放四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架、星形四角錐網(wǎng)架＞

60m兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架1.5＜

L1/L2≤

2兩向正交正放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架L1/L2＞

2兩向正交正放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、單向折線形網(wǎng)架圓形、多邊形≤

60m三向網(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＞

60m三向網(wǎng)架、三角錐網(wǎng)架三邊支承矩形參照上述周邊支承矩形平面網(wǎng)架進行選型，但其開口邊可采取增加網(wǎng)架層數(shù)或適當增加整個網(wǎng)架高度等辦法，網(wǎng)架開口邊必須形成豎直的或傾斜的邊桁架四點支承及

多點支承正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架周邊支承與

點支承結合正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架或斜放四角錐網(wǎng)架注：1．當網(wǎng)架跨度L1、L2

兩個方向的支承距離不等時，可選用兩向斜交斜放網(wǎng)架。2．L1

為網(wǎng)架長向跨度；L2

為網(wǎng)架短向跨度。2

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、設備管道等因素有關。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（a）用小立柱（b）起拱網(wǎng)架屋面找坡找坡立柱2.3

網(wǎng)架的計算要點1.直接作用（荷載）和間接作用對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）

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。雙層網(wǎng)架自重gok（kN/m2）gok

qw

L2

/

200式中，gok——網(wǎng)架自重（kN/m2）；L2——網(wǎng)架的短向跨度（m）；qw——除網(wǎng)架自重外的屋面荷載或樓面荷載的標準值（kN/m2）；ξ——系數(shù)。對桿件采用

的網(wǎng)架取ξ=1.0；采用型鋼的網(wǎng)架取ξ=1.2?？勺兒奢d：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合的網(wǎng)架v

為豎向FEvki作用系數(shù)。v

Gi豎向作用系數(shù)設防烈度場地類別ⅠⅡⅢ、Ⅳ8可不計算（

0.10）0.08（

0.12）0.10（

0.15）90.150.150.20注：括號中數(shù)值用于設計基本加速度為0.3g

地區(qū)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

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

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，

荷載取100%，雪荷載和屋面積灰荷載取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。（4）溫度內(nèi)力：不計算的條件①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）；②周邊支承的網(wǎng)架，當網(wǎng)架驗算方向跨度小于40m，且支承結構為獨立柱或磚壁柱；③在單位力作用下，柱頂位移大于或等于下式的計算值需要計算時，采用空間桁架位移法，或近似計算方法。

1m

L

Et

u

2EA

0.038

f（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

50011網(wǎng)架內(nèi)力分析方法按彈性階段計算空間桁架位移法（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?；炯俣ňW(wǎng)架的節(jié)點為空間鉸接節(jié)點，桿件只承受軸力；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。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個度：對應6個桿端力：TxyxyF

F

F

F

F

F

F

Tjjjiw

u

v

w

e

i

i

u

v它們之間的關系是F

K

e

e

e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。

0

0000000

100000000001000000000000

1

0ijel

1K

EA

0（2）坐標轉換xyzxyz桿單元在整體坐標系中的位置ij

n

cos

m

cos

lijij

zz

lijij

yyl

xxij

l

cos

e—{F}

＝[T]{F}e—；

{F}e＝[T]T{F}ee—{δ}

＝[T]{δ}e—eT；

{δ}

＝[T]

{δ}e22ij

ijijzz)y(2y)ij]]

[T[T]＝

[T[T12

]

21

22

[T11

]坐標轉換矩陣[T]為：

n2

nm

lT11

T22

n2

n2

n2l

2

n2

l

2

mnl

2l

2

nl

2

lm0l[T12]＝[T21]＝0（3）結構總剛度矩陣及總剛度方程jiijiij

ji

jji

e

K

K

K

K

F

e

e

F

[K]{δ}＝{P}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（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

稱位移為零；在稱荷載作用下，對稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點的對稱位移應取為零。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：—T{F}e＝[T]

[K]

e{δ}ei

w

)ji

v

)

cos

(wji

u

)

cos

(vjijlN

EA

cos

(u3.空間桿系有限元法計算步驟計算簡圖，對節(jié)點和桿件進行

；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；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。2.5

網(wǎng)架桿件設計截面、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)架桿件計算長度l0桿

件節(jié)

點螺栓球焊接空心球板節(jié)點弦桿及支座腹桿l0.9ll其它腹桿l0.8l0.8l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。網(wǎng)架節(jié)點型式主要有：按節(jié)點在網(wǎng)架中的位置可分為：中間節(jié)點和支座節(jié)點。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。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

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)點設計焊接空心球節(jié)點螺栓球節(jié)點焊接鋼板節(jié)點焊接 節(jié)點桿件直接匯交節(jié)點網(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。焊接空心球節(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160㎜～500㎜。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)點焊接空心球直徑：D＝（d1＋2a＋d2）/θa≮10mmD/2D/2d1ad2空心球節(jié)點桿件間縫隙ADA（

a）無肋空心球D

/2~D

/3DB（

b）有肋空心球焊接空心球節(jié)點構造30o30o22t/3B受壓空心球承載力設計值：受拉空心球承載力設計值：Nt≤

0.55t

t

df焊縫可按對接焊縫計算，質量應達到Ⅱ級要求：否則只能作為斜角角焊縫按下式計算：feh

d

Nf≤

f

wDt

2d

2

Nc≤

c

400td

13.3螺栓球節(jié)點由鋼球、高強螺栓、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％?？捎糜诘木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，安裝質量宜達到保證?？梢愿鶕?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)點腹桿弦桿螺栓球腹桿弦桿圓圓銷釘圓腹桿圓

弦桿高強度螺栓封板錐頭緊固螺釘長形六角套筒高強度螺栓螺栓球螺栓球連接節(jié)點圖示鋼球尺寸11

2

1

2D≥

sin

d

2d

2

d

2

d

ctg11

2

2

d

22D≥

sin

d

d

ctg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。D≥1

1

11

2

D

2

2

sin

D

D

ctg

4S

2

(D

d

)

2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：螺栓尺寸btN≤bteA

flb

d

S

0.65dlb1.56dd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 等強。桿件端部連接焊縫錐頭和封板套筒通常開有縱向滑槽(圖)，滑槽寬度一般比銷