钢结构设计之平板网架结构设计

第五章平板网架结构构设计10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系内容提要5.1网架结构的特特点5.2网架结构的型型式及选型5.3网架结构的几几何尺寸及屋屋面做法5.4网架结构的计计算5.5网架结构的杆杆件和节点设设计5.6空间结构简介介10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系第五章平平板网架结构构设计5.1网架结构的特特点10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.1网架结结构的的特点…1空间网网架及及网壳壳是一一种空空间网网格结结构，，它以以大致致相同同的格格子或或尺寸寸较小小的单单元重重复组组成，，实质为为一种种空间间受力力的桁桁架结结构，，与平平面结结构比比较，，由于于在荷荷载作作用下下三向向受力力，避避免了了在平平面结结构中中的层层层传传力现现象，，且结结构的的刚度度也较较平面面结构构大。。空间结结构中中以网网架和和网壳壳结构构应用用最广广，分分为：：平板网网架——平板型型的空空间网网格结结构；；网壳——曲面型型的空空间网网格结结构。。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.1网架结结构的的特点…2网架及及网壳壳结构构的特特点（1）三维维受力力、能能承受受来至至各个个方向向的荷荷载；；（2）网架架结构构系高高次超超静定定结构构，整整体性性及稳稳定性性好、空空间刚刚度大大；（3）体系系稳定定、抗抗震性性能好好，在在7度及7度以下下地区区可不进进行抗抗震验验算；；（4）结构构高度度小（（约是是平面面桁架架高度度的2/3)、自重重轻、节节约钢钢材；；（5）杆件件及配配套零零件规规格化化、便便于工工业化化生产产，但但制造造精度度要求求高；；（6）适应应性强强、平平面布布置灵灵活。。10/27/2022昆明理工大大学建建工学院土土木系系第五章平平板网架架结构设计计5.2网架结构的的形式与设设计特点10/27/2022昆明理工大大学建建工学院土土木系系5.2网架结构的的形式与设设计特点…1平板网架无无论在设计计、计算、、构造还是是施工制作作等方面均均较为简便便，可适用用于大、中中、小各种种跨度的屋屋盖结构体体系。网架结构的的形式较多多。按结构构组成，通通常分为双双层或三层层网架；按按支承情况况分，有周周边支承、、点支承、、周边支承承与点支承承混合、三三边支承一一边开口等等形式；按按网架组成成情况，可可分为由两两向或三向向平面桁架架组成的交交叉桁架体体系、由三三角锥体或或四角锥体体组成的空空间桁架角角锥体系等等等。网架结构的的形式10/27/2022昆明理工大大学建建工学院土土木系系5.2网架结构的的形式与设设计特点…2

按支承情况分类

（1）周边支承网架

网架的所有节点均搁置在柱或梁上，因传力直接、受力均匀，是采用较多的一种形式。当网架周边支承于柱顶时，网格宽度可与柱距一致。网架周边支承于圈梁时，网格的划分比较灵活，可不受柱距的约束。

10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…3（2）点支承网网架点支承网网架可置置于四个个或多个个支承上上。a图称为四四点支承承网架，，b图称为多多点支承承网架。（a）（b）10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…4点支承网网架主要要用于大大柱距工工业厂房房、仓库库以及展展览厅等等大型公公共建筑筑。由于于支承点点较少，，支点反反力较大大。为了了使通过过支点的的主桁架架及支点点附近的的杆件内内力不致致过大，，宜在支支承点处处设置柱柱帽以扩扩散反力力。点支支承网架架周边应应有适当当悬挑以以减少网网架跨中中挠度与与杆件的的内力。。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…5(3)周边支承承与点支支承混合合网架在点支承承网架中中，当周边设设有维护护结构和抗风柱柱时，可可采用周边支承承与点支支承混合的形式式。这种种支承方式适用用于工业业厂房和展览厅厅等公共共建筑。。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…6(4)三边支支承或或两边边支承承网架架由于建建筑功功能的的要求求，需需要在在一边边或两两对边边上开开口，，因而而使网网架仅仅在三三边或或两对对边上上支承承，另另一边边或两两对边边处理理成自自由边边。自自由边边的存存在对对网架架的受受力是是不利利的,为此一一般应应对自自由边边作出出特殊殊处理理。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…7普遍的的做法法是，，在自自由边边附近近增加加网架架的层层数（（见a图），，或者者在自自由边边加设设托梁梁、托托架（（见图图b）。对中、、小型型网架架亦可可选择择增加加网架架高度度或局局部加加大杆杆件截截面等等方法法。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…8按网格组成分分类1交叉桁架体系系这类网架由若若干平面桁架相互交交叉组成。竖向平面桁架架的形式与一般平面桁架架相似，根据平面桁架布布置方式及交角的不同，，可分为几种形式。（1）两向正交正正放网架10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系两向正交正放放网架的构成成特点是：两两个方向的平平面桁架垂直直交叉，且分分别与边界方方向平行。这这种网架的上上、下弦平面面呈正方形，，基本单元为为六面体，属属几何可变。。为保证结构构的几何不变变性以及增加加空间刚度，，应适当设置置水平支撑，，以有效传递水平力。。对周边支承承网架，水平支撑宜在在上弦或下弦弦网格内沿周边设置置；对点支承承网架，水平支撑则应应在通过支承承点的主桁架附近设设置。5.2网架结构的形形式与设计特特点…910/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…10两向正交正放放网架的受力力状况取决于于平面尺寸及及支承情况。。对于周边支支承、正方形形平面的网架架，其受力类类似于双向板板。两向正交正放放网架沿两个个方向的杆件件内力差别不不大，受力比比较均匀。但但随着边长比比的变化，单单向传力作用用渐趋明显，，两方向杆件件内力差别也也随之加大。。对于点支承承网架，支承承附近的杆件件及主桁架跨跨中弦杆的内内力最大，其其它部位杆件件的内力很小小。两向正交正放放网架适用于于正方形或接接近正方形以以及狭长矩形形的建筑平面面。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…11（2）两向正正交斜放放网架两向正交交斜放网网架的构构成特点点是：两两个方向向的竖向向平面桁桁架垂直直交叉，，且与边边界成45°夹角。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…12两向正交交斜放网网架中平平面桁架架与边界界斜交，，各片桁桁架长短短不一，，靠近角角部的短短桁架相相对刚度度较大，，对与其其垂直的的长桁架架有一定定的弹性性支承作作用，从从而减小小了长桁桁架中部部的正弯弯矩。在在周边支支承情况况下，它它较两向向正交正正放网架架刚度大大、用料料省。对对矩形平平面其受受力也较较均匀。。当长桁桁架直通通角柱时时，四个角支支座会产产生较大大向上拉拉力，设设计中应应予注意意。如采采用图b所示布置置方式，，拉力可可由两榀榀桁架承承受。适用于正正方形和和长方形形的建筑筑平面。。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…13（3）三向网架架三向网网架的的构成成特点点是：：三个个方向向的竖竖向平平面桁架互互成60°°角斜向向交叉。在在三向向网架架中，，上、、下弦平平面的的网格格均为为正三角形形，因因此这这种网网架是以若若干稳稳定的的三棱棱体作为基基本单单元所所组成成的几何不不变体体系。。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…142四角锥锥体系系这类网网架以以四角角锥为为其组组成单单元。。网架架的上上、下下弦平面面均为为正方方形网网格，，上、下下弦网网格相相互错错开半格格使下下弦平平面正正方形的的四个个顶点点对应应于上弦弦平面面正方方形的的形心，，并以以腹杆杆连接接，即形成成若干干四角角锥体体。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…15正放四四角锥锥网架架正放四四角锥锥网架架的构成成特点点是：：以倒倒四角锥锥体为为组成成单元元，上、下下弦杆杆均与与相应应边界平平行。。正放放四角角锥网架架的上上、下下弦节节点均分分别连连接八八根杆杆件。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…16正放四四角锥锥网架架的杆杆件受受力比比较均均匀，，空间间刚度度较其其它类类型四四角锥锥网架架及两两向网网架为为好。。当采采用钢钢筋混混凝土土板作作屋面面板时时，板板的规规格单单一，，便于于起拱拱，屋屋面排排水相相对容容易处处理。。但因因杆件件数目目较多多其用用钢量量可能能略高高些。。正放四四角锥锥网架架一般般适用用于建建筑平平面呈呈正方方形或或接近近于正正方形形的周周边支支承、、点支支承（（有柱柱帽或或无柱柱帽））大柱柱距、、以及及设有有悬挂挂吊车车的工工业厂厂房与与有较较大屋屋面荷荷载的的情况况。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…17正放抽空空四角锥锥网架构成特点点：在正正放四角锥网架架的基础础上，除除周边网格不不动外，，适当抽抽掉一些四角角锥单元元中的腹腹杆和下弦杆杆，使下下弦网格格尺寸比上弦弦网格尺尺寸大一一倍。其受力与与正交正正放交叉叉梁系相似。。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…18正放抽空空四角锥锥网架的的杆件数数目较少少，构造造简单，，经济效效果好，，起拱比比较方便便。不过过抽空以以后，下下弦杆内内力的均均匀性较较差，刚刚度比未未抽空的的正放四四角锥网网架小些些，但能能够满足足工程要要求。正放抽空空四角锥锥网架适适用于中中、小跨跨度或屋屋面荷载载较轻的的周边支支承、点点支承以以及周边边支承与与点支承承混合等等情况。。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…19斜放四角角锥网架架斜放四角角锥网架架的构成特特点：以以倒四角锥体为为组成单单元，由锥底构构成的上上弦杆与边界成成45°夹角，而连接各各锥顶的的下弦杆则与相相应边界界平行。。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…20斜放四角角锥网架架上弦杆杆长度比比下弦杆杆长度小小，在周周边支承承的情况况下，通通常是上上弦杆受受压，下下弦杆受受拉，因因而杆件件受力合合理。此此外，节节点处汇汇交的杆杆件（上上弦节点点六根，，下弦节节点八根根）相对对较少，，用钢量量较省。。周边支承承的斜放放四角锥锥网架，，在支承承沿周边边切向无无约束时时，四角角锥体可可能绕Z轴旋转而而造成网网架的几几何可变变，因此此必须在在网架周周边布置置刚性边边梁；点点支承的的斜放四四角锥网网架，可可在周边边设置封封闭的边边桁架。。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…213三角锥网网架三角锥网网架的构成特点点是：以以等腰三角锥锥体为组组成单元，由由于三角角形的稳定性性，因而而整体抗弯、、抗扭刚刚度好。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…22抽空三角角锥网架架构成特点点是：在在三角锥网网架的基基础上，除周周边网格格不动外，适适当抽掉掉一些三角锥锥单元中中的腹杆和下下弦杆。。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…23网架几何不变变性分析网架结构在外外力作用下必必须是几何不不变体系，但但是许多形式式的网架就其其结构本身而而言是结构几几何可变的，，只有加上适适当的支座约约束后才成为为几何不变体体系。因此，，对网架的机机动分析非常常重要。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…24网架几何不变变的必要条件件网架的力学模模型是一个铰铰接的空间杆杆系结构，因因为一个刚体体在空间的自自由度为6，一个空间简简单铰的自由由度为3，故网架任一一节点有3个自由度。对对于具有J个节点m根杆件的网架架，支承于有有r根连杆的支座座上时，其几几何不变的必必要条件可由由下式计算：：m+r-3J0或m3J-r当m=3J-r时为静定结构，当当m>3J-r时为超静定结构，m<3J-r时为几何可变体系系。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…25若将网架作为一个个刚体考虑，，则最少的支支座约束链杆杆数为6，即上式中的的r6。如网架不与支支座连接，仅仅考虑网架内内部是否几何何可变，则由由下式计算：：K=3J-m-6当K=0时，网架杆件件数恰好满足足其内部几何何不变的必要要条件；当K<0时，内部有多多余杆件；当当K>0时，内部几何何可变。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…26网架几何不变变的充分条件件三角形是几何何不变的，因因此，以三根根不共面的杆杆件交出一个个新节点所构构成的网架单单元也为几何何不变体系。。当网架杆系系组成的形体体是由三角形形界面组成的的多面体时，，亦是几何不不变的。故对对网架结构几几何不变问题题的分析可变变成平面问题题进行。网架几何可变变单元可通过过加设杆件或或适当加设支支承链杆使其其成为几何不不变体系。用程序计算时时，如出现挠挠度特别大等等不合理情况况，则该网架架有可能为几几何可变。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…2710/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…28网架结构的设设计特点（1）网架结构的的选型根据建筑的造造型、平面形形状和尺寸、、支承情况、、荷载大小、、屋面材料等等综合考虑。。从材料用量考考虑宜采用：：斜放四角锥正正放四四角锥两两向正交正正放三向交叉梁系系以上型式当跨跨度及荷载都都大时较合理理，刚度也比比较大。当平平面为矩形时时两向正交斜斜放与斜放四四角锥网架最最经济。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…29从平面形状和和大小考虑，，当为周边简简支时建议：：①平面为方方形或接近方方形、中小跨跨度（60m)：两向正交斜放放交叉桁架、、正放四角锥锥、斜放四角角锥②平面为矩矩形：两向正交斜放放交叉桁架或或斜放四角锥锥③平面为圆圆形、正多边边形、扇形：：三向交叉梁系系或三角锥当为四点支承承的连续网架架：两向正交正放放或正放四角角锥。10/27/2022昆明理工大学学建工学学院土木木系5.2网架结构的形形式与设计特特点…30（2）网架结构的的网格尺寸和和高度网格大小直接接影响网架的的经济性，应应综合考虑。。网架高度应应使腹杆与弦弦杆的夹角在在45左右。网格尺寸影影响因素:网架跨度大大小、柱距距模数、屋屋面板种类类，杆件材材料。网架高度的的影响因素素：网架跨跨度、屋面面荷载、节节点形式、、平面形状状、支撑条条件。10/27/2022昆明理工大大学建建工学院土土木系系（3）网架结构构的杆件设设计杆件截面：：圆钢管、、角钢、方方钢管、H型钢等。计算长度：：螺栓球：：1.0l弦杆0.9l焊接球：腹杆0.8l长细比：压压杆180拉杆300（支座及附附近）、400（一般）10/27/2022昆明理工大大学建建工学院土土木系系5.2网架结构的的形式与设设计特点…31（4）网架节点点设计与构构造要点网架杆件通通过节点（（焊接钢板板节点、焊焊接空心球球节点、螺螺栓球节点点、焊接短短钢管节点点等）把杆杆件联系在在一起组成成空间形体体。节点上上汇交的杆杆件数量随随网格形式式而不同，，一般812根，至少有有6根。且节点点的重量一一般为网架架总重量的的20～25%，所占用钢钢量的比重重较大，因因节点破坏坏而造成工工程事故的的例子也不不少，所以以节点设计计是关键。。10/27/2022昆明理工大大学建建工学院土土木系系5.2网架结构的的形式与设设计特点…32①焊接空心球球节点空心球可分分为不加肋肋和加肋两两种，用圆圆板经压制制成型作成成半球，再再由两个半半球对焊而而成。这种种节点适用用于连接钢钢管杆件。。节点构造造是将钢管管杆件直接接焊接连接接于空心球球体上，具具有自动对对中和‘万万向’性质质。10/27/2022昆明理工大大学建建工学院土土木系系5.2网架结构的的形式与设设计特点…33直径D为120～500mm的焊接空心心球其抗压压承载力设设计值Nc可按下式计计算：D─空心球外径径（mm）；t──空心球球壁厚厚（mm）；d──钢管外外径（（mm）；ηc─受压空空心球球加肋肋承载载力提提高系系数，，加肋肋ηc=1.4，不加肋肋ηc=1.0。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…34直径D为120～500mm的焊接接空心心球其其抗拉拉承载载力设设计值值Nt可按下下式计计算：：Nt─受拉空空心球球轴向向拉力力设计计值（（N）；f─钢管材材料强强度设设计值值（N/mm2）；ηt─受拉空空心球球加肋肋承载载力提提高系系数，，加肋肋ηt=1.1，不加肋肋ηt=1.0。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…35一般空空心球球外径径D=（25～45）t；空心球球壁厚厚t与钢管管最大大壁厚厚的比比值宜宜为1.2～2.0；另外外，空空心球球壁厚厚t不宜小小于4mm。在确定定空心心球外外径时时，球球面上上网架架相连连接杆杆件与与杆件件之间间的缝缝隙a不宜小小于10mm。空心球球直径径也可可初步步按下下式估估算：：D=（d1+d2+a）/θθ─汇集于于空心心球节节点任任意两钢管管杆件件间的的夹角角；d1、d2─组成θ角的钢钢管外外径；10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…36②螺栓球球节点点由螺栓栓、钢钢球、、销子子（或或止紧紧螺钉钉）、、套筒筒和锥锥头或或封板板组成成，适适用于于连接接钢管管杆件件。10/27/2022昆明理理工大大学建建工学学院土土木系系5.2网架结结构的的形式式与设设计特特点…37螺栓球球节点点的套套筒、、锥头头和封封板采采用Q235系列、、Q345系列钢钢材；；钢球采用用45号钢；；螺栓、、销子子或止止紧螺钉钉采用用高强强度钢材材如45号钢、、40B钢、40Cr钢、20MnTiB钢等。。10/27/2022昆明理工工大学建建工工学院土土木木系5.2网架结构构的形式式与设计计特点…38螺栓直径径一般由由网架中中最大受受拉杆件件的内力力控制，，一个螺螺栓受拉拉承载力力设计值值按下式式计算：：Ntb≤ψAeftbNtb─高强度螺螺栓的拉拉力设计计值（N）；ψ─