空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)第1頁(yè)/共74頁(yè)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)架第2頁(yè)/共74頁(yè)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(diǎn)：由平面桁架相互交叉所組成，其上、下弦桿長(zhǎng)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(yīng)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頁(yè)/共74頁(yè)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(zhǎng)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(gè)方向的桿件內(nèi)力差別不大，受力較均勻。

第4頁(yè)/共74頁(yè)兩向正交斜放網(wǎng)架

短桁架對(duì)長(zhǎng)桁架有嵌固作用，受力有利。角部產(chǎn)生拔力，常取無(wú)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5頁(yè)/共74頁(yè)三向網(wǎng)架

特點(diǎn)：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(diǎn)構(gòu)造比較復(fù)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6頁(yè)/共74頁(yè)（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)架第7頁(yè)/共74頁(yè)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(diǎn)支承情況。

周邊網(wǎng)格錐體不動(dòng)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(kuò)大一倍。適用于中、小跨度或屋面荷載較輕的周邊支承、點(diǎn)支承以及周邊支承與點(diǎn)支承結(jié)合的網(wǎng)架。

第8頁(yè)/共74頁(yè)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，屋面組織排水較困難的缺點(diǎn)。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9頁(yè)/共74頁(yè)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(diǎn)支承相結(jié)合的矩形平面情況。

第10頁(yè)/共74頁(yè)星形四角錐網(wǎng)架

由兩個(gè)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。

第11頁(yè)/共74頁(yè)（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

第12頁(yè)/共74頁(yè)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(dāng)建筑平面為三角形、六邊形和圓形時(shí)最為適宜。

第13頁(yè)/共74頁(yè)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14頁(yè)/共74頁(yè)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(zhǎng)，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15頁(yè)/共74頁(yè)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(gòu)造和材料、制作安裝方法等因素。

《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ7-91

大跨度為60m以上中跨度為30～60m

小跨度為30m以下

第16頁(yè)/共74頁(yè)1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承及其選型支承方式:周邊支承點(diǎn)支承周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合兩邊和三邊支承等。第17頁(yè)/共74頁(yè)周邊支承點(diǎn)支承第18頁(yè)/共74頁(yè)點(diǎn)支承網(wǎng)架受力與鋼筋混凝土無(wú)梁樓蓋相似。

為減小跨中正彎矩及撓度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量帶有懸挑，多點(diǎn)支承網(wǎng)架的懸挑長(zhǎng)度可取跨度的1／4～1／3。

周邊支承與點(diǎn)支承結(jié)合

第19頁(yè)/共74頁(yè)各種柱帽形式點(diǎn)支承網(wǎng)架與柱子相連宜設(shè)柱帽以減小沖剪作用。柱帽可設(shè)置于下弦平面之下(圖a)，也可設(shè)置于上弦平面之上(圖b)。當(dāng)柱子直接支承上弦節(jié)點(diǎn)時(shí)，也可在網(wǎng)架內(nèi)設(shè)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。

第20頁(yè)/共74頁(yè)第21頁(yè)/共74頁(yè)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(shè)備管道等因素有關(guān)。

第22頁(yè)/共74頁(yè)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

第23頁(yè)/共74頁(yè)2.3網(wǎng)架的計(jì)算要點(diǎn)

1.直接作用（荷載）和間接作用

對(duì)使用階段荷載作用下的內(nèi)力和位移進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)根據(jù)具體情況對(duì)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(jìn)行計(jì)算。（1）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(shè)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）；

qw——除網(wǎng)架自重外的屋面荷載或樓面荷載的標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；

ξ——系數(shù)。對(duì)桿件采用鋼管的網(wǎng)架取ξ=1.0；

采用型鋼的網(wǎng)架取ξ=1.2。第24頁(yè)/共74頁(yè)（2）可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載及吊車荷載

（3）抗震驗(yàn)算：

豎向抗震驗(yàn)算設(shè)防烈度為8度或9度的地區(qū)，周邊支承及多點(diǎn)支承和周邊支承相結(jié)合的網(wǎng)架

v

為豎向地震作用系數(shù)。

第25頁(yè)/共74頁(yè)

懸挑長(zhǎng)度較大的網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)以及用于樓層的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，當(dāng)設(shè)防烈度為8度或9度時(shí)，其豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可分別取該結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的10%或20%。設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.3g時(shí)，可取該結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的15%。計(jì)算重力荷載代表值時(shí)，永久荷載取100%，雪荷載和屋面積灰荷載取50%，不計(jì)屋面活荷載。水平抗震驗(yàn)算

在抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，對(duì)于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架可不進(jìn)行水平抗震驗(yàn)算；在抗震設(shè)防烈度為9度的地區(qū)，對(duì)各種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行水平抗震驗(yàn)算。第26頁(yè)/共74頁(yè)（4）溫度內(nèi)力：不計(jì)算的條件①支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造允許網(wǎng)架側(cè)移，且側(cè)移值不小于下式的計(jì)算值（例如板式橡膠支座）；②周邊支承的網(wǎng)架，當(dāng)網(wǎng)架驗(yàn)算方向跨度小于40m，且支承結(jié)構(gòu)為獨(dú)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(jì)算值

需要計(jì)算時(shí)，采用空間桁架位移法，或近似計(jì)算方法。

第27頁(yè)/共74頁(yè)（5）荷載及荷載效應(yīng)組合

對(duì)非抗震設(shè)計(jì)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009；對(duì)抗震設(shè)計(jì)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011

2.網(wǎng)架內(nèi)力分析方法

按彈性階段計(jì)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(jiǎn)化計(jì)算方法（3）擬夾層板法是又一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法（4）假想彎矩法也屬簡(jiǎn)化計(jì)算方法第28頁(yè)/共74頁(yè)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(diǎn)位移為基本未知量。先由桿件內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系建立單元?jiǎng)偠染仃?，然后根?jù)各節(jié)點(diǎn)平衡及變形協(xié)調(diào)條件建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)荷載和節(jié)點(diǎn)位移間關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣和總剛度方程。總剛度方程是以節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位移值。最后由桿件單元內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)位移間關(guān)系求出桿件內(nèi)力。

1.基本假定（1）網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)為空間鉸接節(jié)點(diǎn)，桿件只承受軸力；（2）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。第29頁(yè)/共74頁(yè)2.空間桿系有限元法要點(diǎn)（1）單元?jiǎng)偠染仃?/p>

空間桿系有限單元：每個(gè)桿件共有6個(gè)自由度：對(duì)應(yīng)6個(gè)桿端力：它們之間的關(guān)系是第30頁(yè)/共74頁(yè)式中即單元?jiǎng)偠染仃?。和結(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣位移法一致，只是相應(yīng)于剪力的各項(xiàng)均為零。第31頁(yè)/共74頁(yè)（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

桿單元在整體坐標(biāo)系中的位置

第32頁(yè)/共74頁(yè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣[T]為：

第33頁(yè)/共74頁(yè)（3）結(jié)構(gòu)總剛度矩陣及總剛度方程

（4）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(duì)應(yīng)的主對(duì)角元上。指定位移：主對(duì)角元和右端項(xiàng)乘以大數(shù)R

第34頁(yè)/共74頁(yè)（5）網(wǎng)架的邊界條件及對(duì)稱性利用

當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（包括支座）和外荷載有n個(gè)對(duì)稱面時(shí)，可利用對(duì)稱條件只分析網(wǎng)架的1/(2n)。對(duì)稱面內(nèi)各桿件的截面積應(yīng)取原截面面積的一半，n個(gè)對(duì)稱面交線上的中心豎桿，其截面面積應(yīng)取原截面面積的1/(2n)。在對(duì)稱荷載作用下，對(duì)稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的反對(duì)稱位移為零；在反對(duì)稱荷載作用下，對(duì)稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的對(duì)稱位移應(yīng)取為零。

第35頁(yè)/共74頁(yè)（6）斜邊界處理根據(jù)邊界點(diǎn)的位移情況設(shè)置具有一定截面積的附加桿對(duì)斜邊界上的節(jié)點(diǎn)位移做坐標(biāo)變換

（7）桿件內(nèi)力展開(kāi)為：第36頁(yè)/共74頁(yè)3.空間桿系有限元法計(jì)算步驟（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖，對(duì)節(jié)點(diǎn)和桿件進(jìn)行編號(hào)；（2）計(jì)算桿件單元長(zhǎng)度及桿件與整體坐標(biāo)軸夾角余弦；（3）初選各桿的截面積；（4）建立局部和整體坐標(biāo)系下的單元?jiǎng)偠染仃?；?）集合總剛矩陣；（6）建立荷載列陣；（7）引入邊界條件對(duì)總剛度方程進(jìn)行處理；（8）求解總剛度方程，得出各節(jié)點(diǎn)位移值；（9）根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算桿件內(nèi)力；（10）按桿件內(nèi)力調(diào)整桿件截面，并重新計(jì)算，迭代次數(shù)宜不超過(guò)4～5次。第37頁(yè)/共74頁(yè)2.5網(wǎng)架桿件設(shè)計(jì)截面鋼管、熱軋型鋼和冷彎薄壁型鋼

計(jì)算長(zhǎng)度（l為桿件幾何長(zhǎng)度）

第38頁(yè)/共74頁(yè)容許長(zhǎng)細(xì)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(dòng)力荷載桿件[]=250。

第39頁(yè)/共74頁(yè)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)型式主要有：（1）按節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)架中的位置可分為：中間節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)。（2）按節(jié)點(diǎn)的連接方式可分為：焊接連接節(jié)點(diǎn)、高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)、焊接和高強(qiáng)螺栓混合連接節(jié)點(diǎn)。（3）按節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式可分為：焊接空心球節(jié)點(diǎn)；螺栓球節(jié)點(diǎn)；焊接鋼板節(jié)點(diǎn)；焊接鋼管節(jié)點(diǎn)；桿件直接匯交節(jié)點(diǎn)。我國(guó)常用的是鋼板節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)。2.6節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)第40頁(yè)/共74頁(yè)

焊接空心球節(jié)點(diǎn)螺栓球節(jié)點(diǎn)焊接鋼板節(jié)點(diǎn)焊接鋼管節(jié)點(diǎn)桿件直接匯交節(jié)點(diǎn)

第41頁(yè)/共74頁(yè)網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)滿足下列要求受力合理，傳力明確；保證桿件匯交于一點(diǎn)，不產(chǎn)生附加彎矩；構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作安裝方便，耗鋼量小；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(yīng)在兩端封閉。第42頁(yè)/共74頁(yè)

焊接空心球節(jié)點(diǎn)是用兩塊圓鋼板（鋼號(hào)Q235鋼或Q345鋼）經(jīng)熱壓或冷壓成兩個(gè)半球后對(duì)焊而成的。鋼球外徑一般為160㎜～500㎜。分加肋與不加肋兩種（圖），當(dāng)焊接空心球的直徑大于300，且桿件內(nèi)力較大時(shí)，采用加肋球。肋板厚度不應(yīng)小于球壁等厚。焊接空心球的優(yōu)點(diǎn)是傳力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，造型美觀，連接方便，適應(yīng)性強(qiáng)。1.焊接空心球節(jié)點(diǎn)第43頁(yè)/共74頁(yè)第44頁(yè)/共74頁(yè)第45頁(yè)/共74頁(yè)第46頁(yè)/共74頁(yè)第47頁(yè)/共74頁(yè)焊接空心球直徑：D＝（d1＋2a＋d2）/θ空心球節(jié)點(diǎn)桿件間縫隙

第48頁(yè)/共74頁(yè)焊接空心球節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

第49頁(yè)/共74頁(yè)受壓空心球承載力設(shè)計(jì)值：

受拉空心球承載力設(shè)計(jì)值：

焊縫可按對(duì)接焊縫計(jì)算，質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)要求：否則只能作為斜角角焊縫按下式計(jì)算：

第50頁(yè)/共74頁(yè)螺栓球節(jié)點(diǎn)由鋼球、高強(qiáng)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(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)小，重量輕，節(jié)點(diǎn)用鋼量約占網(wǎng)架用鋼量的10％。可用于任何形式的網(wǎng)架，特別適合于四角錐、三角錐體系的網(wǎng)架。這種節(jié)點(diǎn)安裝極為方便，可拆卸，安裝質(zhì)量宜達(dá)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(diǎn)的缺點(diǎn)是，球體加工復(fù)雜，零部件多，加工精度高；價(jià)格貴；所需鋼號(hào)不一，工序復(fù)雜。2.螺栓球節(jié)點(diǎn)第51頁(yè)/共74頁(yè)螺栓球連接節(jié)點(diǎn)圖示

第52頁(yè)/共74頁(yè)第53頁(yè)/共74頁(yè)第54頁(yè)/共74頁(yè)第55頁(yè)/共74頁(yè)第56頁(yè)/共74頁(yè)第57頁(yè)/共74頁(yè)第58頁(yè)/共74頁(yè)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59頁(yè)/共74頁(yè)當(dāng)相鄰兩桿夾角θ＜30°時(shí)，還要保證相鄰兩根桿件（管端為封板）不相碰要求：第60頁(yè)/共74頁(yè)螺栓尺寸

第61頁(yè)/共74頁(yè)當(dāng)桿件管徑較大時(shí)采用錐頭連接。管徑較小時(shí)采用封板連接。連接焊縫以及錐頭的任何截面應(yīng)與連接鋼管等強(qiáng)。

桿件端部連接焊縫錐頭和封板第62頁(yè)/共74頁(yè)套筒通常開(kāi)有縱向滑槽(圖)，滑槽寬度一般比銷釘直徑大1.5-2mm。套筒應(yīng)進(jìn)行承壓驗(yàn)算：套筒端部到開(kāi)槽端部(或釘孔端)距離應(yīng)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(kāi)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。

套筒幾何尺寸第63頁(yè)/共74頁(yè)3.焊接鋼板節(jié)點(diǎn)

第64頁(yè)/共74頁(yè)鋼板節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及設(shè)計(jì)鋼板節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)板及蓋板所采用的鋼材應(yīng)與網(wǎng)架桿件一致。鋼板節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）桿件重心線在節(jié)點(diǎn)處宜交與一點(diǎn)，否則應(yīng)考慮其偏心影響（2）桿件與節(jié)點(diǎn)連接焊縫的分布，應(yīng)使焊縫截面的重心與桿件重心重合，否則應(yīng)考慮其偏心影響；（3）便于制作和拼裝。網(wǎng)架弦桿應(yīng)與蓋板和節(jié)點(diǎn)板共同連接，當(dāng)網(wǎng)架跨度較小時(shí)，弦桿也可只與節(jié)點(diǎn)板連接；（4）節(jié)點(diǎn)板厚度的選擇與平面桁架的方法相同，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)架最大桿件內(nèi)力確定。節(jié)點(diǎn)板