空間鋼結構的概念與應用

第二章空間網架結構

2.1網架的形式由多根桿件按照一定的網格形式通過節(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。1.網架按弦桿層的形式按弦桿層數(shù)不同可分為雙層網架和三層網架2.雙層網架的常用形式

（1）平面桁架系網架兩向正交正放網架兩向正交斜放、斜交斜放網架三向網架特點：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。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。兩個方向的桿件內力差別不大，受力較均勻。

兩向正交斜放網架

短桁架對長桁架有嵌固作用，受力有利。角部產生拔力，常取無角部形式。比正交正放網架空間剛度大，受力均勻，用鋼省。適用于建筑平面為矩形的情況。三向網架

特點：幾何不變體系，網架空間剛度大，受力性能好，內力分布也較均勻。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）四角錐體系網架

正放四角錐網架正放抽空四角錐網架棋盤形四角錐網架斜放四角錐網架星形四角錐網架正放四角錐網架正放抽空四角錐網架

桿件受力較均勻，空間剛度比其它類型的四角錐網架及兩向網架好。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架。

棋盤形四角錐網架

正放四角錐網架周邊四角錐不變，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架。

斜放四角錐網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。

星形四角錐錐網架由兩個倒置置的三角形形小桁架相相互正交單單元組成。。適用于中中、小跨度度周邊支承承方形或接接近方形平平面的網架架。（3）三角錐體體系網架三角錐網架架抽空三角錐錐網架蜂窩形三角角錐網架三角錐網架架上、下弦平平面均為三三角形網格格。桿件受受力均勻，，本身為幾幾何不變體體，整體抗抗扭、抗彎彎剛度好。。適用于大大中跨度及及重屋蓋建建筑物，當當建筑平面面為三角形形、六邊形形和圓形時時最為適宜宜。抽空三角錐錐網架抽去部分三三角錐單元元的腹桿和和下弦桿。。下弦桿內內力較大，，用鋼量省省，但空間間剛度較三三角錐網架架小。適用用于中、小小跨度的三三角形、六六邊形和圓圓形等平面面的建筑。。蜂窩形三角角錐網架上弦為正三三角形和正正六邊形網網格，下弦弦為正六邊邊形網格。。本身幾何何可變。其其上弦桿短短，下弦桿桿長，受力力合理。適適用于中、、小跨度周周邊支承的的情況，可可用于六邊邊形、圓形形或矩形平平面。2.2網架選型根據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、制作安裝方方法等因素。《網架結構設設計與施工工規(guī)程》JGJ7-91大跨度為60m以上中跨度為30～60m小跨度為30m以下1網架結構的的支承及其其選型支承方式:周邊支承點支承周邊支承與與點支承相相結合兩邊和三邊邊支承等。。周邊支承點支承點支承網架架受力與鋼鋼筋混凝土土無梁樓蓋蓋相似。為減小跨中中正彎矩及及撓度，設設計時應盡盡量帶有懸懸挑，多點點支承網架架的懸挑長長度可取跨跨度的1／4～1／3。周邊支承與與點支承結結合各種柱帽形形式點支承網架架與柱子相相連宜設柱柱帽以減小小沖剪作用用。柱帽可設置置于下弦平平面之下(圖a)，也可設置置于上弦平平面之上(圖b)。當柱子直接接支承上弦弦節(jié)點時，，也可在網網架內設置置傘形柱帽帽(圖c)，這種柱帽帽承載力較較低，適用用于中小跨跨度網架。。2網架高度及及網格尺寸寸網架的高度度與屋面荷荷載、跨度度、平面形形狀、支承承條件、設備管道等等因素有關關。3網架的撓度度要求及屋屋面排水坡坡度容許撓度：：用作屋蓋—L2/250，用作樓蓋—L2/300排水坡度：：3%～5%起拱要求：：L2/3002.3網架的計算算要點1.直接作用（（荷載）和和間接作用用對使用階段段荷載作用下的內力和位移移進行計算，，并應根據據具體情況況對地震作用、、溫度變化化、支座沉沉降等間接作用用及施工安裝荷荷載引起的內力力和位移進進行計算。。（1）永久荷載載：①網架自重；；②屋面（或樓樓面）材料料重力；③吊頂材料的的重力；④設備管道的的重力。雙層網架自自重gok（kN/m2）式中，gok——網架自重（（kN/m2）；L2——網架的短向向跨度（m）；qw——除網架自重重外的屋面面荷載或樓樓面荷載的的標準值（（kN/m2）；ξ——系數(shù)。對桿桿件采用鋼鋼管的網架架取ξ=1.0；采采用型型鋼的網架架取ξ=1.2。（2）可變荷載載：活荷載、雪雪荷載、積積灰荷載、、風荷載及及吊車荷載載（3）抗震驗算算：豎向抗震驗驗算設防烈度為為8度或9度的地區(qū)，，周邊支承及及多點支承承和周邊支支承相結合合的網架v為豎向地震震作用系數(shù)數(shù)。懸挑長度較較大的網架屋蓋蓋結構以及及用于樓層的網架結構構，當設防烈度度為8度或9度時，其豎豎向地震作作用標準值值可分別取取該結構重力荷載代代表值的10%或20%。設計基本本地震加速速度為0.3g時，可取該該結構重力力荷載代表表值的15%。計算重力力荷載代表表值時，永久荷載取取100%，雪荷載和和屋面積灰灰荷載取50%，不計屋面面活荷載。。水平抗震驗驗算在抗震設防防烈度為8度的地區(qū)，，對于周邊邊支承的中中小跨度網網架可不進進行水平抗抗震驗算；；在抗震設設防烈度為為9度的地區(qū)，，對各種網網架結構均均應進行水水平抗震驗驗算。（4）溫度內力力：不計算的條條件①支座節(jié)點的的構造允許許網架側移移，且側移移值不小于于下式的計計算值（例例如板式橡橡膠支座））；②周邊支承的的網架，當當網架驗算算方向跨度度小于40m，且支承結構構為獨立柱柱或磚壁柱柱；③在單位力作作用下，柱柱頂位移大大于或等于于下式的計計算值需要計算時時，采用空間桁桁架位移法法，或近似似計算方法法。（5）荷載及荷荷載效應組組合對非抗震設設計，《建筑結構荷荷載規(guī)范》GB50009；對抗震設計計，《建筑抗震設設計規(guī)范》GB500112.網架內力分分析方法按彈性階段段計算（1）空間桁架架位移法（（空間桿系系有限元法法）（2）交叉梁系系差分法是是一種簡化化計算方法法（3）擬夾層板板法是又一一種簡化計計算方法（4）假想彎矩矩法也屬簡簡化計算方方法2.4空間桿系有有限元法以網架的桿件為基本單元元，以節(jié)點位移為基本未知知量。先由由桿件內力力與節(jié)點位位移之間的的關系建立立單元剛度度矩陣，然然后根據各各節(jié)點平衡衡及變形協(xié)協(xié)調條件建建立結構的的節(jié)點荷載載和節(jié)點位位移間關系系，形成結結構總剛度度矩陣和總總剛度方程程?？倓偠榷确匠淌且砸怨?jié)點位移移為未知量量的線性方方程組。引引入邊界條條件后，求求解出各節(jié)節(jié)點位移值值。最后由由桿件單元元內力與節(jié)節(jié)點位移間間關系求出出桿件內力力。1.基本假定（1）網架的節(jié)節(jié)點為空間間鉸接節(jié)點點，桿件只只承受軸力力；（2）結構材料料為完全彈彈性，在荷荷載作用下下網架變形形很小，符符合小變形形理論。2.空間桿系有有限元法要要點（1）單元剛度矩矩陣空間桿系有限單元：：每個桿件共共有6個自由度：：對應6個桿端力：：它們之間的的關系是式中即單元剛度度矩陣。和和結構力學學的矩陣位位移法一致致，只是相應于剪剪力的各項項均為零。。（2）坐標轉換桿單元在整整體坐標系系中的位置置坐標轉換矩矩陣[T]為：（3）結構總剛度度矩陣及總總剛度方程程（4）結構總剛矩矩陣中邊界界條件的處處理方法位移為零：：劃行劃列列法和乘大大數(shù)法。彈性約束：：將彈簧剛剛度K0疊加到總剛剛矩陣中對對應的主對對角元上。。指定位移：：主對角元元和右端項項乘以大數(shù)數(shù)R（5）網架的邊界界條件及對對稱性利用用當網架結構構（包括支支座）和外外荷載有n個對稱面時時，可利用用對稱條件件只分析網網架的1/(2n)。對稱面內各各桿件的截截面積應取取原截面面面積的一半半，n個對稱面交交線上的中中心豎桿，，其截面面面積應取原原截面面積積的1/(2n)。在對稱荷載載作用下，，對稱面內內網架節(jié)點點的反對稱稱位移為零零；在反對對稱荷載作作用下，對對稱面內網網架節(jié)點的的對稱位移移應取為零零。（6）斜邊界處理理根據邊界點點的位移情情況設置具具有一定截截面積的附附加桿對斜邊界上上的節(jié)點位位移做坐標標變換（7）桿件內力展開為：3.空間桿系有有限元法計計算步驟（1）計算簡圖圖，對節(jié)點點和桿件進進行編號；；（2）計算桿件件單元長度度及桿件與與整體坐標標軸夾角余余弦；（3）初選各桿桿的截面積積；（4）建立局部部和整體坐坐標系下的的單元剛度度矩陣；（5）集合總剛剛矩陣；（6）建立荷載載列陣；（7）引入邊界界條件對總總剛度方程程進行處理理；（8）求解總剛剛度方程，，得出各節(jié)節(jié)點位移值值；（9）根據節(jié)點點位移計算算桿件內力力；（10）按桿件內內力調整桿桿件截面，，并重新計計算，迭代代次數(shù)宜不不超過4～5次。2.5網架桿件設設計截面鋼管、熱軋軋型鋼和冷冷彎薄壁型型鋼計算長度（l為桿件幾何何長度）容許長細比比（1）受壓桿件件：[]=180（2）受拉桿件件：一般桿桿件[]=400，支座附近近處桿件[]=300，直接承受受動力荷載載桿件[]=250。網架節(jié)點型型式主要有有：（1）按節(jié)點在在網架中的的位置可分分為：中間間節(jié)點和支支座節(jié)點。。（2）按節(jié)點的的連接方式式可分為：：焊接連接接節(jié)點、高高強螺栓連連接節(jié)點、、焊接和高高強螺栓混混合連接節(jié)節(jié)點。（3）按節(jié)點的的構造形式式可分為：：焊接空心球球節(jié)點；螺螺栓球節(jié)點點；焊接鋼鋼板節(jié)點；；焊接鋼管管節(jié)點；桿桿件直接匯匯交節(jié)點。我國常用的的是鋼板節(jié)節(jié)點、焊接接空心球節(jié)節(jié)點、螺栓栓球節(jié)點。。2.6節(jié)點設計焊接空心球球節(jié)點螺栓球節(jié)點點焊接鋼板節(jié)節(jié)點焊接鋼管節(jié)節(jié)點桿件直接匯匯交節(jié)點網架的節(jié)點點構造應滿滿足下列要要求受力合理，，傳力明確確；保證桿件匯匯交于一點點，不產生生附加彎矩矩；構造簡單，制作作安裝方便，耗耗鋼量?。槐苊怆y于檢查、、清刷、涂漆和和容易積留濕氣氣或灰塵的死角角或凹槽，管形形截面應在兩端端封閉。焊接空心球節(jié)點點是用兩塊圓鋼鋼板（鋼號Q235鋼或Q345鋼）經熱壓或冷冷壓成兩個半球球后對焊而成的的。鋼球外徑一一般為160㎜～500㎜。分加肋與不加加肋兩種（圖）），當焊接空心心球的直徑大于于300，且桿件內力較較大時，采用加加肋球。肋板厚厚度不應小于球球壁等厚。焊接空心球的優(yōu)優(yōu)點是傳力明確確，構造簡單，，造型美觀，連連接方便，適應應性強。1.焊接空心球節(jié)點點焊接空心球直徑徑：D＝（d1＋2a＋d2）/θ空心球節(jié)點桿件件間縫隙焊接空心球節(jié)點點構造受壓空心球承載載力設計值：受拉空心球承載載力設計值：焊縫可按對接焊焊縫計算，質量量應達到Ⅱ級要求：否則只只能作為斜角角角焊縫按下式計計算：螺栓球節(jié)點由鋼鋼球、高強螺栓栓、緊固螺栓、、套筒、錐頭或或封板等零件組組成，適合于連連接圓鋼管桿件件。螺栓球節(jié)點的優(yōu)優(yōu)點是節(jié)點小，，重量輕，節(jié)點點用鋼量約占網網架用鋼量的10％?？捎糜谌魏魏涡问降木W架，，特別適合于四四角錐、三角錐錐體系的網架。。這種節(jié)點安裝裝極為方便，可可拆卸，安裝質質量宜達到保證證。可以根據具具體情況采用散散裝、分條拼裝裝和整體拼裝等等安裝方法。螺螺栓球節(jié)點的缺缺點是，球體加加工復雜，零部部件多，加工精精度高；價格貴貴；所需鋼號不不一，工序復雜雜。2.螺栓球節(jié)點螺栓球連接節(jié)點點圖示鋼球尺寸螺栓不碰要求：：套筒接觸面要求求：鋼球直徑取式以以上兩式的較大大值。當相鄰兩桿夾角角θ＜30°時，還要保證相相鄰兩根桿件（（管端為封板））不相碰要求：螺栓尺寸當桿件管徑較大大時采用錐頭連連接。管徑較小小時采用封板連連接。連接焊縫縫以及錐頭的任任何截面應與連連接鋼管等強。。桿件端部連接焊焊縫錐頭和封板套筒通常開有縱縱向滑槽(圖)，滑槽寬度一般般比銷釘直徑大大1.5-2mm。套筒應進行承承壓驗算：套筒端部到開槽槽端部(或釘孔端)距離應使該處有有效截面抗剪力力不低于銷釘(或螺釘)抗剪力，且不小小于1.5倍開槽的寬度或或6mm。套筒端部要保保持平整，內孔孔L徑可比螺栓直徑徑大1mm。套筒幾何尺寸3.焊接鋼板節(jié)點鋼板節(jié)點的構造造及設計鋼板節(jié)點的節(jié)點點板及蓋板所采采用的鋼材應與與網架桿件一致致。鋼板節(jié)點的的構造及設計要要點如下：（1）桿件重心線在在節(jié)點處宜交與與一點，否則應應考慮其偏心影影響（2）桿件與節(jié)點連連接焊縫的分布布，應使焊縫截截面的重心與桿桿件重心重合，，否則應考慮其其偏心影響；（3）便于制作和拼拼裝。網架弦桿桿應與蓋板和節(jié)節(jié)點板共同連接接，當網架跨度度較小時，弦桿