最新jzgjgsj522网架结构课件

jzgjgsj522网架结构jzgjgsj522网架结构主要内容网架结构概述网架结构的荷载、作用与一般设计原则网架结构的基本理论和分折方法网架结构的有限元法——空间桁架位移法网架结构的拟夹层板分析法网架结构的抗震分析网架结构杆件设计与节点构造主要内容网架结构概述2最新jzgjgsj522网架结构课件3最新jzgjgsj522网架结构课件4最新jzgjgsj522网架结构课件5最新jzgjgsj522网架结构课件6最新jzgjgsj522网架结构课件7最新jzgjgsj522网架结构课件8最新jzgjgsj522网架结构课件94.由六角锥体组成的网架结构，它的基本单元体是由6根弦杆、6根斜杆构成的正六角锥体，即七面体。

4.由六角锥体组成的网架结构，它的基本单元体是由6根弦杆、6102.1.5网架结构的选型

影响网架选型的因素是多方面的，如网架制作、安装方法、用钢指标、跨度大小、刚度要求、平面形状、支承条件等都在一定程度上影响着确定采用哪一种网架形式。1．如节点采用焊接，由平面桁架系组成的网架，其制作比由四角锥体组成的网架较为方便；两向正交网架又比两向斜交网架及三向网架方便；四角锥网架比三角锥网架方便。2.1.5网架结构的选型影响网架选型的因素是多方面的，如11

2．安装方法不采用整体提升或吊装，采用分条或分块安装，或采用高空滑移法时，选用两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架等三种正交正放类网架比选用斜放类网架有利。3．用钢指标是衡量网架选型的一项重要标志。2．安装方法不采用整体提升或吊装，采用分条或分块安装，或采124．计算表明，跨度大小对网架选型的影响不大。但大跨度网架一般都是重要的建筑，目前在我国用得较多的是两向正交正放网架、两向正交斜放网架和三向网架等一类平面格架系组成的网架结构。因为这几种大跨度网架的设计与施工经验比较丰富，技术比较熟练。三向网架、三角锥网架、六角锥网架、一般构造较为复杂，用钢量大，故在中小跨度中宜少采用。4．计算表明，跨度大小对网架选型的影响不大。但大跨度网架一般135.网架的刚度比平面屋架好得多，但各种网架之间，不论是水平刚度还是垂直刚度，其差别是不小的。如斜放四角锥网架，它本身是几何可变的，在增设边缘构件或有强大的圈梁时才能保证其几何不变性。一般地说，节点数和杆件数较多的网架，如三角锥网架、六角锥网架、三向网架、正放四角锥网架，其刚度较大；反之，如斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架、抽空三角锥网架I、II型、蜂窝形三角锥网架，其节点数和杆件致较少，则刚度也较小。5.网架的刚度比平面屋架好得多，但各种网架之间，不论是水平刚14

6．平面形状为圆形、正六边形和接近圆形的多边形网架，从平面布置及建筑造型看，比较适宜采用三向网架、六角锥网架、三角锥网架、抽空三角维网架I、II型和蜂窝形三角锥网架。特别是当平面形状为正六边形时，这几种网架的网格规整，杆件类型少，施工方便；如采用其他类型网架，则边界附近网格不规整，比较零乱，杆件类型增多，施工制作不便。 6．平面形状为圆形、正六边形和接近圆形的多边形网架，从平面15

7．多点支承的网架，选用正交正放类网架较为合适。多点支承时这种正交正放类网架的受力性能比斜放类网架合理，挠度也小。经过四点支承网架计算表明，在条件相同的情况下，两向正交正放网架与两向正交斜放网架的最大内力比约为5/7，挠度比约为6/7，而且斜放类网架在自由边界还要增设封边的边缘杆件，增加了杆件数量和材料用量。三边支承一边开口的网架，也宜选用正交正放类网架。周边支承和多点支承相结合的网架，则可采用正交正放类网架，也可选用斜放类网架，但一般不宜采用三向网架和三角锥体、六角锥体组成的网架。

7．多点支承的网架，选用正交正放类网架较为合适。多点支承时16

8．对跨度不大于40m多层建筑的楼层及跨度不大于60m的屋盖，可以采用以钢筋泥凝土板代替钢上弦的组合网架；组合网架宜选用正放四角锥组合网架、正放抽空四角锥组合网架、两向正交正放组合网架、斜放四角锥组合网架及蜂窝形三角锥组合网架。网架选型是一个比较复杂的问题，必须根据实用与经济的原则，进行多方案综合分析比较确定。最主要的影响因素是施工制作和用钢指标这两个因素。 8．对跨度不大于40m多层建筑的楼层及跨度不大于60m的屋17

2.2网架结构的荷载、作用与一般设计原则

2.2.1荷载类型网架结构的荷载主要是永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对永久荷载应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。1.永久荷载

作用在网架结构上的永久荷载：(1)网架自重：网架杆件大多采用钢材，它的自重可通过计算机自动形成。也可预先估算网架单位面积自重节点自重一般占网架杆件总重的15％一25％。如果网架节点的连接形式己定，可根据具体的节点规格计算出其节点自重。

2.2网架结构的荷载、作用与一般设计原则

2.2.1荷载18(2)楼面或屋面覆盖材料自重：根据实际使用材料查《建筑结构荷载规范》GB50009取用。如采用钢筋混凝土屋面板，其自重取1.0~1.5kN/m2；采用轻质板，其自重取0.3~0.7kN/m2。(3)吊顶材料自重。设备管道自重。上述荷载中，（1）、（2）两项必须考虑，（3）、（4）两项根据实际工程情况而定。(2)楼面或屋面覆盖材料自重：根据实际使用材料查《建筑结构192.可变荷载

作用在网架结构上的可变荷载： (1)屋面或楼面活荷载：网架的屋面，一般不上人，屋面活荷载标准值为0.5kN／m2。楼面活荷载根据工程性质查荷载规范取用。 (2)雪荷载：雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑，取两者的大值。对雪荷载敏感的结构，基本雪压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。雪荷载的组合值系数可取0.7；频遇值系数可取0.6；准永久值系数应按雪荷载分区I、II和III的不同，分别取0.5、0.2和0。2.可变荷载

作用在网架结构上的可变荷载：20

(3)风荷载：对于周边支承且支座节点在上弦的网架，风载由四周墙面承受，计算时可不考虑风荷载。其他支承情况，应根据实际工程情况考虑水平风荷载作用。 (4)积灰荷载：工业厂房中采用网架时，应根据厂房性质考虑积灰荷载。 (5)吊车荷载：悬挂吊车直接挂在网架下弦节点上，对网架产生吊车竖向荷载。桥式吊车在吊车梁上行走，通过柱子对网架产生吊车水平荷载。 (3)风荷载：对于周边支承且支座节点在上弦的网架，风载由四212.2.2温度作用温度作用是指由于温度变化，使网架杆件产生附加温度应力，必须在计算和构造措施中加以考虑。网架结构是超静定结构，在均匀温度场变化下，由于杆件不能自由热胀冷缩，杆件会产生应力，这种应力成为网架的温度应力。温度场变化范围是指施工安装完毕(网架支座与下部结构连接固定牢固)时的气温与当地常年最高或最低气温之差。另外工厂车间生产过程中引起温度场变化，这可由工艺提出。

目前温度应力的计算方法有：采用空间杆系有限元法的精确计算方法和把网架简化为平板或夹层板构造的近似分析法。2.2.2温度作用温度作用是指由于温度变化，使网架杆件产生22符合下列条件之一者，可不考虑由于温度变化而引起的内力：支座节点的构造允许网架侧移时，其侧移值应等于或大于下式的计算值： 当周边支承的网架且网架验算方向跨度小于40m时，支承结构应为独立柱或砖壁柱；在单位力作用下，柱顶位移大于或等于上式的计算值。当网架支座节点构造沿边界法向不能相对位移时，由温度变化而引起的柱顶水平力可按下式计算：符合下列条件之一者，可不考虑由于温度变化而引起的内力：232.2.3地震作用网架由地震引起的振动称为网架的地震反应，它包括内力、变形和位移。网架的地震反应大小不仅与外来干扰作用(地震波)的大小及其随时间的变化规律有关，还取决于网架本身的动力特性，即网架的自振周期和阻尼。由于地震的地面运动为一种随机过程，运动极不规则，网架又是空间结构，动力特性十分复杂，要正确分析网架的动力反应比较困难，常作以下简化假定：(1)结构可离散为多个集中质量的弹性体系；(2)结构振动属于微幅振动，即结构的振动变形很小，仍属于小变形范畴。线性叠加原理可以适用；(3)振动时结构的地基各部分作同一运动，即不考虑地面运动的相位差的影响；2.2.3地震作用网架由地震引起的振动称为网架的地震反应，24(4)结构的阻尼很小，可以忽略结构各振型之间的耦联影响。网架的地震作用取决于地面运动的加速度和网架自身固有的动力特性，可采用振型分解反应谱法和时程法进行计算。根据我国《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91规定：在抗震设防烈度为7度的地区，可不进行网架结构水平抗震验算。在抗震设防烈度为8度的地区，对于周边支承的中小跨度网架可不进行水平抗震验算；在抗震设防烈度为9度的地震区，对各种网架结构均应进行水平抗震验算。水平地震作用下网架的内力，位移可采用空间桁架位移法计算。(4)结构的阻尼很小，可以忽略结构各振型之间的耦联影响。252.2.4荷载效应组合

根据使用和施工过程中可能出现的最不利荷载进行组合。荷载组合的一般表达式为无吊车荷载和风荷载、地震作用时，网架应考虑以下荷载组合：(1)永久荷裁十可变荷载；(2)永久荷载十半跨可变荷载；(3)网架自重十半跨屋面板自重十施工荷载。后两种荷载组合主要考虑斜腹杆的变号。当采用轻屋面（如压型钢板）或屋面板对称铺设时，可不计算。当考虑风荷载和地震作用时，其组合形式可按上式计算。2.2.4荷载效应组合根据使用和施工过程中可能出现的最不26考虑多台吊车竖向荷载组合时，对一层吊车的单跨厂房的网架，参与组合的吊车台数不应多于2台；对于一层吊车的多跨厂房的网架，不多于4台。吊车荷载是移动荷载，目前采用的组合方法是由设计人员根据经验选定几种吊车组合及位置，作为单独的荷载工况进行计算，在此基础上选出杆件的最大内力，作为吊车荷载的最不利组合值，再与其他工况的内力进行组合。另一种方法是使吊车荷载简化为均布荷载和其他工况进行组合。精确计算是根据吊车行走位置，以每一位置作为单独荷载工况进行计算，找出各种位置时网架杆件的最大内力，再与其他工况的内力进行组合。这种计算必须进行几十种、甚至几百种组合，计算工作量大。

考虑多台吊车竖向荷载组合时，对一层吊车的单跨厂房的网架，参与272.2.5一般设计计算原则高次超静定结构，应进行外荷载作用下的内力、位移计算，并应根据具体情况，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的内力、位移进行计算。1．结构内力计算一般原则网架结构的材料都按弹性受力状态考虑，即不考虑材料的非线性性质(研究网架的极限承载力时要考虑这一因素)。基本假定：(1)节点为铰接，杆件只承受轴向力；(2)按小挠度理论计算；(3)按弹性方法分析。2.2.5一般设计计算原则高次超静定结构，应进行外荷载作用下28非抗震设计，荷载及荷载效应组合按《建筑结构荷载规范》GB50009进行计算。在截面及节点设计中，应按照荷载的基本组合确定内力计算值；在位移计算中应按短期效应组合确定其挠度。抗震设计，荷载及荷载效应组合应按国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011确定内力设计。网架结构的外荷载按静力等效原则，将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。结构分析时可忽略节点刚度的影响，假定节点为铰接，杆件只承受轴向力。当杆件上作用有局部荷载时，应另考虑受弯的影响。非抗震设计，荷载及荷载效应组合按《建筑结构荷载规范》GB529根据跨度大小、网架类型及工程情况可分别按下列规定选用不同方法进行内力、位移计算： (1)空间桁架位移法：适用于各种类型、各种支承条件的网架； (2)交叉梁系差分法：可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架的计算； (3)拟夹层板法：可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥体组成的网架的计算； (4)假想弯矩法：可用于斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架的估算。根据跨度大小、网架类型及工程情况可分别按下列规定选用不同方法302．抗震设计一般原则

(1)一般情况下，应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。(2)有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15º时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。(3)质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。(4)8、9度抗震设防时的大跨度和长悬臂结构，应计算竖向地震作用。2．抗震设计一般原则(1)一般情况下，应允许在建筑结构的313．其他设计原则 网架结构的支撑条件，可根据支撑结构的刚度、支座节点的构造情况，分别假定为二向可侧移、一向可侧移、无侧移的铰接支座或弹性支承。

3．其他设计原则 网架结构的支撑条件，可根据支撑结构的刚度、32

2.3 网架结构的基本理论和分析方法

2.3.1基本假定和计算模型网架是空间杆系结构，节点连接假定为铰接，忽略节点刚度的影响，。模型试验和工程实践都表明，铰接假定是完全许可的，所带来的误差可忽略不计。网架属于平板形，受荷后网架在板平面内的水平变位小于网架挠度，挠度远小于网架的厚度，属于小挠度范畴，不必考虑因大变位、大挠度所引起的结构几何非线性性质。此外，网架结构的材料都按处于弹性受力状态而非进入弹塑性状态和塑性状态计算，即不考虑材料的非线性性质。因此，对网架结构的一般静动力计算，其基本假定可归纳为：(1)节点为铰接，杆件只承受轴向力，(2)按小挠度理论计算；(3)按弹性方法分析。

2.3 网架结构的基本理论和分析方法

2.3.1基本假33网架的计算模型大致可分为4种。

1．铰接杆系计算模型把网架看为铰接杆件的集合。根据每根杆件的工作状态，可集合得出整个网架的工作状态，所以每根铰接杆件可作为网架计算的基本单元。称这种铰接杆系计算模型为计算模型A。2．桁架系计算模型

根据网架组成的规律，把网架作为桁架系的集合，分析时可把一段桁架作为基本单元。由于桁架系有平面桁架系和空间桁架系之分，故桁架系计算模型也可分为乎面桁架系计算模型和空间桁架系计算模型，前者称计算模型B1，后者称计算模型B2。网架的计算模型大致可分为4种。343．梁系计算模型计算模型除基本假定外，还通过折算的方法把网架等代为梁系，再以梁段作为分析的基本单元。4．平板计算模型计算模型也与梁系计算模型相类似，要有一个把网架折算等代为平板的过程，计算后也要有一个回代过程。平板有单层普通板与夹层板之分，故平板计算模型也可分为普通平板计算模型与夹层平板计算模型。前者称计算模型D1，后者称计算模型D2。3．梁系计算模型35最新jzgjgsj522网架结构课件36上述四种计算模型A、B、C、D中，前两者是离散型的计算模型，比较符合网架本身离散构造的特点，如果不再引入新的假定，采用合适的分析方法，就有可能求得网架结构的精确解答。后两者是连续化的计算模型，在分析计算中，必然要增加从离散折算成连续，再从连续回代到离散这样两个过程，而这种折算和回代过程通常会影响结构计算的精度。所以采用连续化的计算模型，一般只能求得网架结构的近似解。但是，连续化的计算模型往往比较单一，不复杂，分析计算方便，或可直接利用现有的解答，虽然所求得的解答为近似解，只要计算结果能满足工程所需的精度要求，这种连续化的计算模型仍是可取的。上述四种计算模型A、B、C、D中，前两者是离散型的计算模型，372.3.2网架结构计算方法概述及其分类建立了网架的计算模型，下一步就需要寻找合适的分析方法来反映和描述网架的内力和变位状态，并求得内力和变位。网架结构的分析方法大致有五类：1．有限元法(分析方法I)。包括铰接杆元法、梁元法等。2．力法(分析方法II)。3．差分法(分析方法III)。差分法有两种含义，一种是微分方程的差分解法；另一种是根据节点和杆件的间距(类似差分的步长)，给出网架的内力平衡方程和变位协调方程，其组成形式与差分方程类同，故把这种分析方法也归纳在差分法中。前者称差分法(1)，后者称差分法(2)。

2.3.2网架结构计算方法概述及其分类建立了网架的计算模384．微分方程解析解法(分析方法IV)。5．微分方程近似解法(分析方法V)。如变分法、加权残数法等，但不包括微分方程的差分解法。由上述四种计算模型及五种分析方法，使其一一对应结合，可形成网架结构的现有各种具体计算方法，即空间桁架位移法、交叉梁系梁元法、交叉梁系力法、交叉梁系差分法、混合法、网板法、假想弯矩法、下弦内力法、拟板法及拟夹层板法共十种具体计算方法。4．微分方程解析解法(分析方法IV)。391.空间桁架位移法铰接杆系结构的有限元分析法，以网架节点的三个线位移为未知数，采用适合于电子计算机运算的矩阵表达式分析计算网架结构。2.交叉梁系梁元法

适用于由平面桁架系组成网架的一种计算方法。它把单元网片等代为梁元，以交叉梁系节点的挠度和转角为未知量，用有限元法来分析计算。1.空间桁架位移法403.交叉梁系力法主要适用于由两向平面桁架系组成网架的一种计算方法。它把桁架系等代为梁系，在交叉点处认为设有竖向连杆相连。切开连杆并以赘余力代替，使交叉梁系成为两个方向的静定梁系，根据交叉点竖向挠度相等的条件，即可按一般结构力学的力法来计算。交叉梁系力法一般不考虑网架的剪切变形，未知数约为空间桁架位移法的1/6，计算比较简便。3.交叉梁系力法414．交叉梁系差分法用于由两向平面桁架系组成的网架的一种计算方法。60～70年代没有电算网架之前，工程设计中这类网架的计算，几乎都采用这种简化为梁系的差分分析法。在计算中以交叉梁系节点的挠度为未知数，不考虑网架的剪切变形，所以未知数的数量较小，约为空间桁架位移法的1／6、交叉梁系梁元法的1／3。我国曾采用此法编制了一些计算图表，查用方便。4．交叉梁系差分法425．混合法直接以交叉平面桁架系为计算模型的差分分析法，适用于平面桁架系组成的网架计算。以平面桁架系的节点挠度、桁架弯矩及竖杆内力为未知数，未知数的数量约为空间桁架位移法的1／2～2／3。分析时可考虑网架的剪切变形和变刚度的影响，因此可求得与空间桁架位移法计算结果相同的精确解。如果不考虑网架的剪切变形和变刚度的影响，该法的基本方程便退化为交叉梁系差分法的基本方程。5．混合法436．假想弯矩法以交叉空间桁架系为计算模型的差分分析法，适用于斜放四角锥网架及棋盘形四角锥网架的计算。分析时假定两个方向的空间桁架在交接处的假想弯矩相等，从而使基本方程可简化为二阶的差分方程。在网架结构发展初期建成的不少中小跨度的斜放四角锥网架，都曾采用此法计算，并编有供计算用的假想弯矩系数表。该法的基本假定过于简单，其计算精度是网架简化计算法中最差的一种，建议只在网架估算时采用。6．假想弯矩法447．网板法一种以空间桁架系为计算模型的差分分析法，适用于正放四角锥网架计算。分析时以网架某一方向的上、下弦杆内力及上弦节点挠度为未知数，基本方程为四阶的差分方程。当考虑剪切变形和变刚度影响时，可求得较精确的计算结果。

7．网板法458．下弦内力法用于计算蜂窝形三角锥网架的差分分析法。一般情况下，蜂窝形三角锥网架的下弦杆、腹杆以及支座竖向反力是静定的，周边简支时上弦杆也是静定的，从而可以建立以下弦杆内力为未知数的基本方程式，无需根据协调方程可直接求得网架内力。因此，这种以离散型的空间桁架系计算模型为依据的下弦内力法是求解蜂窝形三角锥网架的一种精确解法。对于周边简支网架已编制有计算图表可直接查用，计算方便。8．下弦内力法469．拟板法把网架结构等代为一块正交异性或各向同性的普通平板，按经典的平板理论求解，可适用于由平面桁架系组成的网架及大部分由角锥体组成的网架计算。拟板法一般未考虑网架剪切变形及变刚度的影响，对周边简支等一些常遇边界条件的网架，可求得基本微分方程的解析解，或利用现有的平板计算图表来计算。网架杆件的最终内力，要通过等效关系由拟板的弯矩和剪力回代求得。9．拟板法4710．拟夹层板法把网架结构等代为一块由上下表层与夹心层组成的夹层板，以一个挠度、两个转角共三个广义位移为未知函数，采用非经典的板弯曲理论来求解。拟夹层板法考虑了网架剪切变形，可提高网架计算的精度。拟夹层板法的适用范围及网架杆件最终内力计算，与拟板法基本相同。2.3.3网架结构各种计算方法的比较10．拟夹层板法482.4网架结构的有限元法－空间桁架位移法2.4.1

空间桁架位移法概述空间桁架位移法分析网架结构作了如下的基本假定：(1)节点为铰接，杆件只能承受轴力，忽略节点刚度的影响；(2)网架位移远小于网架厚度，按小挠度理论进行计算；(3)材料符合虎克定律，按弹性方法分析；(4)网架只作用节点荷载，如在杆件上作用有荷载时要等效地转化为节点荷载。2.4网架结构的有限元法－空间桁架位移法2.4.1 空49空间桁架位移法计算步骤的粗框图

空间桁架位移法计算步骤的粗框图50空间桁架位移法采用铰接杆系计算模型，以节点位移为未知函数，通过单元分析，建立杆端力和杆端位移关系，形成单元刚度矩阵。由节点的平衡条件，可建立基本方程即总刚度方程，形成总刚度矩阵。根据边界条件对基本方程进行修正，求解后可得节点位移，进而可计算得出杆件内力。因此，网架结构的空间桁架位移法，实质上是结构力学中的位移法。空间桁架位移法采用铰接杆系计算模型，以节点位移为未知函数，通512.4.2网架结构的单元分析

2.4.3网架结构基本方程的建立从网架结构中取出任一节点i，与该节点相交的杆件有ij、ik……im，作用在节点上的外荷载为Pi。交于i节点各杆端力的表达式为：

2.4.2网架结构的单元分析

2.4.3网架结构基本52最新jzgjgsj522网架结构课件53对网架的每一节点都可建立类似的平衡方程，经合并后可得对网架的每一节点都可建立类似的平衡方程，经合并后可得54或简写为 KU=P

上式为网架结构的总刚度方程，K为总刚度矩阵，且有如下一些特性：(1)主对角元素均为ni项叠加而成，ni为交于i节点的杆件数；(2)矩阵的元素具有对称性，即Kij＝Kji

；(3)矩阵的元素具有稀疏性，每个方程中的非零元素只有ni+1项，而且这些非零元素均密集在主对角线附近。 以上这些特性有利于计算机紧凑存储、节省内存、方便求解。或简写为 KU=P

上式为网架结构的总刚度方程，K为总刚度552.4.4边界条件处理

网架结构要根据边界条件，先对总刚度短阵K修正到K′,再当满足≠0,才可求解总刚度方程 网架结构通常的边界条件可分成两类：

2.4.4边界条件处理 网架结构要根据边界条件，先对总刚度561．刚性支承。修正总刚度矩阵K的办法有两种：一是划去相应的行和列，二是把相应的主元素改为一个大数，如1016，这可达到某一相应支座位移为零的目的。但在计算机上实现这一目的，采用第二种办法比较方便。2．弹性支承。当支承结构比较复杂，而且必须要考虑支承结构的弹性作用时，可根据支承点的协调条件，把网架与支承结构作为一个整体结构进行分析。当支承结构比较简单，如为独立柱时，可把支承结构换算为在支承点处的等效弹簧，并求出弹簧的刚度，按弹簧支承下的网架结构进行分析。1．刚性支承。修正总刚度矩阵K的办法有两种：一是划去相应的行572.4.5对称条件利用如网架结构(包括边界条件)对称，在对称荷载作用下，对称面oyz内的反对称位移为零。对称的网架结构在反对称荷载作用下，对称面内的对称位移为零。2.4.5对称条件利用如网架结构(包括边界条件)对称，在582.4.6温度作用影响计算

2.4.7杆件内力计算求解总刚度方程后，便求得网架各节点的位移，从而可由下式计算网架任一杆件的内力

对于与斜边界有关的杆件，先得由下式求出总体坐标系下的位移：

Uij=TAijU’ij

2.4.6温度作用影响计算

2.4.7杆件内力计算求59当有温度作用时，网架杆件内力计算公式为网架结构精确分析方法——空间桁架位移法小结：1．网架结构空间桁架位移法(即铰接杆系结构有限元法)的基本方程为KU＝P，其实质便是结构力学中位移法的准则方程式，从力学的观点来说是平衡方程，从数学的观点来说是线代数方程。2．网架结构的总刚度矩阵K是由铰接杆件的单元刚度通过坐标变换，然后对号入座叠加而成。

当有温度作用时，网架杆件内力计算公式为603．网架结构基本方程(即总刚度方程)要根据边界条件对总刚度矩阵K修正为K′，并要求K′的行列式不等于零时才能求解。4．空间桁架位移法是网架结构的精确解法，它可分析计算任意形式、任意边界条件(包括刚性支承、弹性支承、斜边界)、任意外载作用(包括温度作用、支座沉降、预加应力)的网架结构。3．网架结构基本方程(即总刚度方程)要根据边界条件对总刚度矩612.5网架结构的拟夹层板分析法对于平板形网架结构，从结构整体、外形尺寸等宏观角度来看，可用一块平板模拟，并采用平板理论及其分析方法进行计算。拟板法有两种：一种是普通的拟板法，它与解一般的实体板相同，不考虑网架结构的横向剪切变形，采用经典平板理论来分析，其基本微分方程式为四阶；另一种是拟夹层板法，它如同求解一块具有夹心层的平板，要考虑夹心层的横向剪切变形，采用非经典的平板理论分析。2.5网架结构的拟夹层板分析法对于平板形网架结构，622.6网架结构的抗震分析

2.6.1概述网架由地震引起的振动称为网架的地震反应，包括地震在结构中引起的内力和变形。地震反应的大小不仅与外来干扰作用(地震波)的大小、频率、相位和作用时间等有关，而且还取决于网架本身的动力特性，即网架的自振周期与阻尼。2.6.2网架结构的振动方程和动力特性1.基本假定对网架结构进行动力特性分析作如下假定：2.6网架结构的抗震分析2.6.1概述63(1)节点均为空间铰接节点，每一个节点具有三个自由度；(2)质量集中在各个节点上，(3)杆件只承受轴力；(4)基础为一刚性体，各点的运动完全一致

没有相位差。2.自由振动方程及求解根据拟静力法，将惯性力看成等效外力施加到结构上，由平衡方程得网架结构用矩阵表示的自由振动方程。网架的节点数较多，因此自由度也很多，根据资料分析，对工程有影响的是前面几个自振频率和振型，一般取前10阶自振频率进行动力分析即可满足工程设计精度要求。(1)节点均为空间铰接节点，每一个节点具有三个自由度；643.网架结构的自由振动特点基本周期随网架的短向跨度增大而加大，周边支承网架，基本周期约在0.3—0.7s左右。网架的自振频率和振型具有如下特点：(1)频谱非常密集，特别在水平振型类密集区域，会出现相邻两个频率相等或接近情况。(2)基本周期与网架的短向跨度关系很大，且与支座约束的强弱等有关。(3)网架的振型可分为两大类，以水平振动为主的称为水平振型类，其节点水平分量较大，竖向分量较小。以竖向振动为主的称为竖向振型类，其节点竖向分量较大，水平分量较小。一般情况下，网架以竖向振型为主。3.网架结构的自由振动特点652.6.3网架结构的地震反应分析1．振型分解反应谱法振型分解反应谱法求网架的地震作用效应，是目前网架地震反应分析中精度较高的分析方法之一。这种方法就是利用振型分解的概念，以单质点体系在地震作用下的反应理论为基础，先求出对应于每一个振型的最大地震作用及其相应的地震作用效应，然后将这些效应进行组合，求得网架杆件的最大地震反应。2.6.3网架结构的地震反应分析662.时程法时程法是一种直接积分方法，它对所得到的动力方程进行直接积分，从而求得每一瞬时结构的位移、速度和加速度。直接积分法有线性加速度法、威尔逊一θ(Wilson一θ)法、Newmark一β法等。2.时程法672.7网架结构杆件设计与节点构造2.7.1网架结构的杆件设计1．杆件常用材料及截面形式(1)杆件的材料大多数网架的材料为钢材。Q345钢强度高，用于大跨度的网架。一般的网架结构采用Q235钢。两种钢材力学性能、焊接性能均很好，材质也比较稳定。(2)杆件截面形式杆件的截面形式很多，但以空腹截面为最优，如圆钢管、方钢管等。圆钢管有高频电焊钢管及无缝钢管两种。尽量采用高额电焊钢管。圆钢管各方向惯性矩相同、截面封闭、回转半径大，对受压受扭有利。端部封闭后，内部不易锈蚀，表面也难以积灰和积水，具有较好的防腐性能。

2.7网架结构杆件设计与节点构造682．杆件的计算长度和容许长细比(1)杆件的计算长度网架节点汇集了较多的杆件，因此节点的嵌固作用较大。网架杆件的计算长度如按平面桁架的有关规定采用，偏于安全。网架规程中规定的计算长度取值是经过模型试验和分析研究确定的。杆件的计算长度与网架节点的形式有关，对于螺栓球节点网架，杆件两端可视为铰接，弦杆和腹杆均取杆件的几何长度l，即节点中心点之间的距离l。焊接空心球节点网架，弦杆和支座腹杆的计算长度取0.9l，而其他腹杆的计算长度取0.8l。对于板节点的网架则取和平面桁架相同的计算长度，即弦杆取l，腹杆取0.8l。2．杆件的计算长度和容许长细比69(2)杆件的容许长细比网架的杆件的长细比不应该超过容许长细比。对于受压的杆件，容许长细比主要是防止杆件过于细长容易产生初弯曲，初弯曲对压杆稳定极限承载力有较大影响，对于受拉的杆件，容许长细比主要是保证杆件在制作、运输、安装和使用过程中有一定的刚度。网架规程中规定的杆件容许长细比如下：受压杆件：[λ]＝180受拉杆件：1)一般杆件[λ]＝4002)支座附近的杆件[λ]＝3003)直接承受动力荷载的杆件[λ]＝250(2)杆件的容许长细比703．杆件的截面选择和构造要求(1)杆件的截面选择杆件的选取应该注意以下几点：1)一个网架杆件的截面规格不宜过多，一般较小跨度以2~3种为宜，大跨度的网架也不宜超过6~7种。2)杆件在相同截面面积的条件下，宜选择薄壁截面，这样增加回转半径对稳定有利。3）杆件截面规格的选择宜用市场上经常供应的规格。

4）杆件长度与网架网格尺寸有关，确定网格尺寸时，除考虑最优尺寸及屋面板制作条件等因素外，也应考虑一般常用的定尺长度，以避免剩头过长造成浪费。5)钢管出厂一般均有负公差，所以在选择载面时应当适当留有余地。3．杆件的截面选择和构造要求71(2)杆件的构造要求杆件截面过小，容易产生初弯曲，所以对网架的杆件有最小截面的规定。普通型钢不宜小于L50×3，圆钢管不宜小于φ48×2，较大跨度的网架杆件的外径不宜小于φ60。此外，为了便于施焊和防腐要求，圆钢管的壁厚不宜太薄，一般不小于2mm。由于网架的杆件为轴向受力杆，因此，杆件上不可承受横向荷载。网架杆件在构造设计时，宜避免难于检查、清刷、油漆以及积留湿气或灰尘的死角或凹槽。对于管形截面，应将两端封闭。受拉杆件一般不宜设有接头，受压杆件也只容许有一个接头，且该接头应设在受力较小区域，并避免接头过于集中(2)杆件的构造要求724．杆件的设计计算网架杆件主要承受轴向拉力和轴向压力（1）轴心受拉：(2)轴心受压：当杆件截面不能满足强度或稳定的要求时，应当加大截面的规格。截面的规格改变将引起杆件内力的改变，因此，杆件截面的计算由计算机完成，截面的选择也是根据提供的截面规格，按满应力原则选择最经济截面。4．杆件的设计计算当杆件截面不能满足强度或稳定的要求时，应732.7.2网架结构的节点与设计节点起连接杆件、传递荷载的作用，因此，节点设计是网架结构设计中的重要内容。通常节点用钢量占整个网架杆件用量的20％-25％。合理的节点设计对网架结构的安全性能、制作安装、工程进度和工程造价都有着直接的影响。节点设计和构造均应符合以下一些原则：（1）受力合理，传力明确、可靠，实际构造与所采用的计算假定吻合。（2）保证各杆件交汇于一点，不产生附加弯矩。（3）构造简单、制作和安装方便。（4）尽量减少用钢量。2.7.2网架结构的节点与设计节点起连接杆件、传递荷载74

1．网架节点的类型（1）焊接钢板节点主要用于弦杆呈两向布置的各类网架，如两向正交正放网架、两向正交斜放网架以及各种类型的四角锥网架。网架中，上、下弦杆均成两向正交布置，斜腹杆或位于弦杆的竖平面内或与弦杆竖平面成45。角相交。杆件端部均在节点处相交。为使这些汇交的杆件能在节点上有效地连成一体，杆件内力得到可靠的传递，应沿杆件方向设置相应的节点板，各节点板间则以焊缝连成整体，从而形成了焊接钢板节点。1．网架节点的类型75这种节点与钢桁架的节点构造较为相似，有时为了增加节点的强度和刚度，也可以在十字节点板中心加设一段圆钢管，将十字节点板直接焊于中心钢管上，从而形成一个由中心钢管加强的焊接钢板节点。

这种节点与钢桁架的节点构造较为相似，有时为了增加节点的强度和76（2）焊接空心球节点由两个半球对焊而成。半球有冷压和热压成型两种方法。热压成型简单，不需要很大的压力，采用多；冷压不仅需要很大的压力，要求钢材的材质好，而且对模具的磨损也较大，目前很少采用。当焊接空心球的直径较大时，为了增加球体的承载力，可以在两个半球的对焊处增加肋板，三者焊成整体。网架杆件通过角焊缝或对接焊缝与空心球相连。（3）螺栓球节点将网架杆件通过高强螺栓、套筒、螺钉或销钉、锥头、封板与实心钢球连接起来的一种节点形式。（2）焊接空心球节点77（4）直接相贯节将网架腹杆(支管)的端部经机械加工成相贯面后，直接焊在弦杆（主管)壁上，也可以将一个方向的弦杆焊在另一个方向弦杆的管壁上。这种节点因为省去了任何节点连接部件，因而节点的用钢量少，但是它要求的加工精度很高。杆件可以是圆钢管，也可以是方钢管。（5）焊接钢管节点它是由空心圆柱体组成的节点，杆件直接焊在圆柱体的表面上，由于网架杆件的端部要加工成与圆柱体表面相交的曲面，因此，它对杆件的加工精度要求较高。

目前用得最为广泛的是焊接空心球节点和螺栓球节点。（4）直接相贯节78

2．焊接球节点设计与构造

焊接空心球节点是在我国应用较早、也最为广泛的节点形式之一，它分为加肋和不加肋两种。（1）焊接空心球的承载力设计计算1）受压承载力设计计算

以受压为主的空心球，其破坏机理属于壳体的稳定问题，应该采用非线性分析方法进行其极限承载力的分析，计算工作量大，难以在设计中应用。目前的计算公式是在大量试验资料的基础上经回归分析确定的。试验表明，双向受压空心球的承载力与单向受压空心球的承载力基本接近，并且空心球的钢种对其受压承载力的影响不显著。

2．焊接球节点设计与构造

焊接空心球节点是在我国应用较早79

球体的受压承载力都以单向受压的试验为依据。对于空心球外径D＝120—500mm时，其受压承载力设计值按下式计算：D——空心球外径(mm)；

t——空心球壁厚(mm)；

d——钢管外径(mm)；ηc——受压空心球加肋承载力提高系数，不加肋时ηc＝1.0,加肋时ηc＝1.4。球体的受压承载力都以单向受压的试验为依据。对于空心球外径D80从以上公式可以看出，球体受压承载力与空心球壁厚t、空心球外径D和连接的钢管外径d有关：a．当D、d不变时，随t的增大，受压承载力也相应地增大；b．当D、t不变时，随d的增大，受压承载力也相应地增大；c．当t、d不变时，随D的增大，受压承载力也相应地增大，d．空心球加肋时，其受压承载力可以提高40％。交汇于空心球有多根杆件，可以用受力最大的杆件来验算。从以上公式可以看出，球体受压承载力与空心球壁厚t、空心球外径81

2)受拉承载力设计计算空心球受拉破坏其机理属于强度破坏。试验表明，其破坏具有冲切破坏的特征，破坏面多为球体沿杆件管壁拉出。对于空心球外径D＝120～500mm时，其受拉承载力设计值按下式计算：

Nt＜0.55ηttdπfNt——受拉空心球所受的轴向拉力设计值(N)；f——钢材强度设计值(N／mm2)；ηt——受拉空心球加肋承载力提高系数，不加肋时ηt＝1.0，加肋时ηt＝1.1。2)受拉承载力设计计算82（2）焊接空心球的构造1)不加肋空心球和加肋空心球两个半球的焊接以及两个半球与加肋圆环的焊接构造（2）焊接空心球的构造83

2)空心球球径的大小应该能在球的表面排列所连接的全部钢管，为了便于施焊及母材不致过热．连接于同一节点上的各杆件之间的空隙不宜小于10mm。2)空心球球径的大小应该能在球的表面排列所连接的全部钢管，84按此要求近似有以下关系式：

所以有

3)空心球外径与壁厚的比值可按设计要求在25～45范围内选用，同时空心球壁厚与钢管最大壁厚的比值宜选用1.2～2.0，空心球壁厚不宜小于4mm。4)当空心球的外径不小于300mm，且杆件内力较大需要提高承载力时，球内可加环肋，其厚度不应小于球壁的厚度，内力较大的杆件应位于肋板平面内。按此要求近似有以下关系式：855)钢管杆件与空心球连接，钢管应开坡口。在钢管与空心球之间应留有一定空隙予以焊透，以实现焊缝与钢管等强，否则应按角焊缝计算。为了保证焊缝质量，钢管端头可加套管与空心球焊接。

5)钢管杆件与空心球连接，钢管应开坡口。在钢管与空心球之间应863．螺栓球节点设计与构造螺栓球节点也是我国应用较早且很广泛的节点形式之一，它由螺栓、钢球、销子(或螺钉)、套筒和锥头或封板等零件组成，这种节点适用于钢管连接。在螺栓球球体的同一个坐标平面内，若每个螺栓孔夹角为450，则整个球具有18个孔。采用这种螺栓球进行组合相当灵活，既适用于一般的网架结构，也适用于任何形式的空间网格结构。此外，对于双层网壳结构、塔架、平台和脚手架等也都可以采用螺栓球节点。目前我国螺栓球节点网架的杆件内力最大拉力值一般可达到70t，最大悬挂吊车约为5t。3．螺栓球节点设计与构造螺栓球节点也是我国应用较早且很广泛的87

螺栓球节点网架的杆件长度一般在2～3m左右，包装简单，可以用集装箱运输；因为没有现场焊接，安装方便，不产生焊接变形和焊接应力，无节点偏心，受力状态好；能够在工厂生产，产品质量容易保证，也可减少施工现场作业量，大大加快建设速度。螺栓球节点的设计与构造包括：(1)螺栓球零件材料的选择钢球、封板、锥头、套筒的材料可按表2.7.2-1采用。

(2)钢球直径的确定采用锻压球。大小取决于螺栓的直径、相邻杆件的夹角和螺栓伸入球体的长度等因素，同时要求伸入球体的相邻两个螺栓不相碰。螺栓球节点网架的杆件长度一般在2～3m左右，包装简单，可以88(3)高强度螺栓受拉承载力计算高强度螺栓承受拉力对于受压杆件，高强度螺栓不承受杆件的压力，此时高强度螺栓的直径可按受拉计算所得值适当减小。压力主要由套筒承担，套筒要进行承压计算，并验算其开槽处和端部有效截面的承压力。(4)套筒外形尺寸的确定套筒是六角形的无纹螺母，用以拧紧螺栓和传递杆件轴压力。套简外形尺寸应符合扳手开口尺寸系列，端部保持平整，内孔径可比螺栓直径大1mm。套筒端部到开槽端部的距离应使该处有效截面抗剪承载力不低于销钉(或螺钉)的抗剪承载力，且不应小于1.5倍开槽孔的宽度。(3)高强度螺栓受拉承载力计算89

(5)锥头或封板的构造锥头或封板主要起连接钢管和螺栓的作用，承受杆件传来的拉力或压力。当杆件管径大于或等于76mm时，宜采用锥头连接，否则采用封板连接。其连接焊缝以及锥头的任何截面应与连接的钢管等强，其焊缝宽度b可根据连接钢管壁厚取2~5mm，封板厚应根据实际受力的大小计算确定，当钢管壁厚小于4mm时，其封板厚度不宜小于钢管外径的1／5。(5)锥头或封板的构造90(6)销钉或螺钉的构造销钉或螺钉在网架安装完成之后不受力。在旋转套简时，它承受剪力，该剪力的大小与螺栓伸入钢球的摩阻力有关。销钉或螺钉宜采用高强度钢材，其直径可取螺径直径的0.16～0.18倍，不宜小于3mm。螺钉直径可采用6～8mm。(6)销钉或螺钉的构造91

4.支座节点的设计与构造

支座节点是网架将荷载传递给下部结构的连接部件，它是位于支承结构上的网架节点。(1)支座节点的形式及其适用范围对网架进行内力分析时，要对支座节点加设一定的约束，这些约束的计算模式一般有可动铰支承、不动圆柱铰支承和不动球铰支承。实际构造上，支座节点的设计应传力可靠、构造简单，并与其计算模型相同。根据网架结构的工程实践，支座节点通常有平板支座、弧形支座、球铰支座和橡胶支座等。根据支座节点的受力情况，也可以分为压力支座节点和拉力支座节点两大类。

4.支座节点的设计与构造

支座节点是网架将荷载传递给下部921)压力支座节点最为常见的一类支座节点，可以分为平板压力、单面和双面弧形压力、球铰压力以及板式橡胶支座节点等。a、平板压力支座节点焊接钢板节点网架与焊接空心球节点或螺栓球节点网架的平板压力支座节点。1)压力支座节点93平板压力支座节点，构造简单，加工方便，用钢量较省，但是支承底板与结构支承面的应力分布不均匀，和计算假定相差较大。一般只适用于小跨度的网架。平板压力支座节点构造对网架制作、拼装精度及锚栓埋设位置的尺寸控制要求较严，易造成网架正确就位的困难。在实际工程中为了使网架拼装方便，常不设定位锚栓，而在支座节点的底板与支承面顶板(预埋板)之间加设一块连有埋头螺栓的过渡板，安装定位后将过渡板与支承面顶板(预埋板)在周边焊接。

平板压力支座节点，构造简单，加工方便，用钢量较省，但是支承底94b．单面弧形压力支座节点在平板压力支座节点的基础上，在支座底板与支承面顶板间加设一呈弧形的制作垫板而成。由于弧形支座板的设置，支座节点可沿弧面转动，从而弥补了平板压力支座节点不能转动的缺点。弧形支座板一般用铸钢制成，也可以用厚板加工而成。应用于中小跨度的网架。

b．单面弧形压力支座节点95

c．双面弧形压力支座节点双面弧形压力支座节点又称为摇摆支座节点。双面弧形压力支座节点与不动圆柱铰支承的约束条件比较接近，但其构造较为复杂、加工麻烦、造价较高，且只能沿一个方向转动，不利于结构的抗震。它适用于跨度大、且下部支承结构刚度较大或温度变化较大、要求支座节点既能转动又有一定侧移的网架。c．双面弧形压力支座节点96

d．球铰压力支座节点

由一个置于支承面上的凸形实心半球与一个连于节点支承底扳的凹形半球相互嵌合，并以锚栓相连而成。螺母下设有弹簧，以适应节点的转动。可以使支座节点沿两个水平方向自由转动，不产生线位移。既能较好地承受水平力，又能自由转动，比较符合不动球铰支承的约束条件，对抗震有利，但构造较为复杂，适用于四点支承及多点支承的网架。d．球铰压力支座节点97e.板式橡胶支座节点在平板压力支座的支承底板与支承面顶板间设置一块由多层橡胶片与薄钢板粘合、压制成的矩形橡胶垫块，并以锚栓连接成一体。这种支座节点不仅可以使网架支座在不出现过大的竖向压缩变形的情况下获得足够的承载力，而且橡胶垫板良好的弹性也可以产生较大的剪切变形，因而既可以适应网架支座节点的转动要求，又能适应网架支座节点由于温度变化、地震作用所产生的水平变位。板式橡胶支座节点适用于大、中跨度的网架结构。e.板式橡胶支座节点982)拉力支座节点分为平板拉力支座节点和单面弧形拉力支座节点，共同特点是利用连接支座节点与下部支承结构的锚栓来传递拉力。a．平板拉力支座节点当支座拉力较小时，可以采用与平板压力支座节点相同的构造。此时的锚栓承受拉力。适用于跨度较小的网架。b．单面弧形拉力支座节点当支座拉力较小，且对支座的节点有转动要求时，可以在单面弧形压力支座节点的基础之上构成拉力支座节点。因为锚栓承受的拉力较大，为了减小支座底板的受力，应设置锚栓承力架。这种节点主要适用于大、中跨度的网架。2)拉力支座节点99(2)支座节点板的设计计算支座节点板包括竖向的十字节点板和横向的支座底板。网架的支座力就是通过这些支座节点板及其间的连接焊缝或再经支座垫板传递到下部结构的。因此，支座节点板的设计计算包括连接焊缝的计算、十字节点板的设计计算、支座底板面积和厚度的设计计算等。(3)垫板及锚栓的设计计算支座节点中常用的支承垫板主要有单、双面弧形支座板、球铰和橡胶垫板等。它们除传递支承反力之外，主要是借以模拟支座计算简图的约束条件，使支座节点能做转动或水平移动。

(2)支座节点板的设计计算1002.8网架结构分析设计软件2.8.1网架结构软件发展概况与特点计算机技术的应用对网架结构的发展产生了非常深远的影响。与计算机技术密切相关的有限元法是网架结构最有效、最精确的分析计算方法，结合计算机图形学，形成了当前网架结构计算机辅助设计软件(网架CAD)。目前，几乎所有的网架结构的计算和设计都是由计算机软件完成的。最初的网架分析程序，只局限于有限元计算和满应力设计，没有人机交互功能，需要人工输入大量数据，实现计算所需的数据，设法减少输人工作量和人为失误。分析计算部分主要是进行有限元的分析、优化设计，并设法有效地提高计算速度和计算规模。后处理主要是提供设计制造所需的数据、计算书和图形的输出。2.8网架结构分析设计软件2.8.1网架结构软件发展概101目前，国内比较普遍采用的网架结构软件有MSTCAD(轻软登字第001号)、SFCAD(轻软登字第002号)、MSGS(轻软登字第003号)等。网架结构分析设计软件主要特点：(1)适应各种平面形状和各种体型。网格结构空间形状多样良好的三维显示、交互功能，做到输入、修改方便。(2)需要考虑各种复杂的荷载、约束条件。网架结构荷载除了静荷载、活荷载外，还有风荷载、吊车荷载、温度作用、地震作用等，而且要进行最不利工况组合。网架结构的边界约束也是多种多样，有固定约束、弹性约束、强迫位移和斜边界等。目前，国内比较普遍采用的网架结构软件有MSTCAD(轻软登字102(3)充分提高计算效率。由于网架结构体量大、单元多、工况多、计算量大，软件应采取必要措施以提高计算速度和规模，如节点编号优化、刚度矩阵分块求解等。(4)以用钢量最小为目标的满应力优化的杆件设计准则。由于网架结构杆件成千上万，设计者预先很难指定各杆件的具体截面。所以，网架结构分析软件中杆件的优化设计是非常必要的。(5)需要绘制机械加工图。网架结构是由工厂加工制作，然后现场组装，大量的工作在工厂完成。因此，软件还具有杆件下料尺寸确定、螺栓球螺孔角度计算与配件统计等功能。(3)充分提高计算效率。由于网架结构体量大、单元多、工况多、1032.8.2网架结构软件编程原理1．网架结构的建模网架结构组成的基本元素是节点和杆件，节点又通常分为上弦节点和下弦节点。同一弦层节点相连杆件称为弦杆，不同弦层节点相连杆件称为腹杆。网架结构的基本网格形式都是由节点和杆件按一定规律组成，除了可以采用一般的点、线图形输入外，许多网架软件已经提供了基本网格形式的自动生成。操作者只需输入如平面尺寸、网格数、网架高度等少量参数，软件即可自动进行节点编号、单元编号，建立结构拓扑关系，以及节点荷载和约束信息。2.8.2网架结构软件编程原理104基本网格形式生成主要有以下三种方法：

(1)形式代数法(FormexAlgebra)形式代数法是用结构外形处理的一种数学体系，它给出了一整套的运算公式和规则，将结构外形和数学联系起来。其思想方法是：根据网架结构的规律性，构造一种反映网架成形特性的形式函数集，编制与函数集相应的高级语言程序，将形式公式翻译成计算机语言。这种方法在概念上比较简单，但缺点针对每种网架形式都得构造形式函数，对于复杂的平面及不规则网架构造形式函数就变得困难，并且它对数学基础要求颇高，不易于一般人所掌握。基本网格形式生成主要有以下三种方法：105

(2)拓扑矩阵法相对于形式代数方法，拓扑矩阵法显得更为直观易懂。它是一种将空间网架结构的形体用矩阵来表示的数学体系。思想方法是：先构造结构几何外形的拓扑矩阵，由计算机程序将拓扑矩阵转换为真实结构的几何外形数据。节点的约束条件和荷载向量的生成也尽量地与拓扑矩阵沟通起来。(3)图形输入法利用如AutoCad图形软件，先确定几何轴线，然后输入节点和单元，利用拷贝、旋转、移动、擦除等编辑功能，做到结构几何形状边输入边显示边检查，比较直观、方便。图形输入用高级语言将图形文件转换为有限元计算数据。(2)拓扑矩阵法1062．计算原理一般情况下，网架结构按照铰接杆单元，采用空间桁架位移法进行分析计算。假定节点为铰接，每个节点只有三个方向的线位移，外荷载只能作用于节点上，杆件只承受轴向。杆件截面设计采用满应力优化设计方法。通过满应力优化，使结构杆件的应力达到或接近设计允许应力，最终达到结构用料最省的目的。但是由于网架结构是一种高次超静定结构，而且杆件的截面规格是一组离散的数据，所以满应力计算不可能使所有杆件达到“满应力”，而是尽可能接近“满应力”。3．计算机语言及应用环境目前，网架结构软件基本上都是在Windows操作平台上开发，一般采用Fortran和C++编写。2．计算原理1072.8.3设计步聚以MSTCAD软件为例，设计一个网架结构通常需要进行以下操作步骤：1．根据实际情况，选取“标准网格”(注：引号表示MSTCAD软件操作命令)的网格形式，输入相关数据；2．对标准网格进行调整，可以利用“坐标移动”、“起坡”、“复制”、“增加节点”、“删除节点”、“增加杆件”、“删除杆件”等菜单；3．如果有梁柱单元，由“杆件属性”、“节点属性”设定；4．添加约束、荷载。如果要考虑温度应力和地震作用，可以在“综合信息”中输入；5．设定杆件截面库规格和球节点规格；6．在“设计信息”中设定材料设计强度，选定节点类型；7．设定工况组合，以及相应的分项系数；2.8.3设计步聚1088．进行“满应力设计”。如果杆件截面已经确定，则直接进行“验算不调整”；9．选择“显示设置”菜单，查看各工况下的计算结果，如杆件轴力、节点位移、支座反力等；10．设置“配件材料库”；11．杆件截面确定之后，对于螺栓球节点网架，进行“高强螺栓设计”然后进行“球节点设计”。而对于焊接球节点，则直接进行“球节点设计”；12．进行“支座节点设计”；13．进行“节点螺孔角度计算”，但对于焊接球网架，不需要此项工作；14．加工图绘制。图纸绘制过程包括“绘图综合信息”输入→“布图”→“图纸生成”→“预演”→“转存DWG文件”。8．进行“满应力设计”。如果杆件截面已经确定，则直接进行“验109

2.9网架屋面系统及防锈防火

2.9.1屋面檩条1．檩条形式与特点檩条布置在节点上，受网格大小限制，檩条的檩距一般为1.5~3m、跨度一般只有3~6m，采用实腹式檩条。实腹式檩条分为普通热轧型钢檩条和冷弯薄壁型钢檩条。(1)普通热轧型钢檩条常用的有如下四种：1)热轧槽钢檩条分为普通热轧槽钢檩条和热轧轻型槽钢檩条两种。前者因型材的厚度较厚，用钢量较大；常用简支檩条多为挠度控制，强度不能充分发挥。热轧轻型槽钢檩条虽比普通槽钢檩条有所改进，但仍不够理想。

2.9网架屋面系统及防锈防火

2.9.1屋面檩条1102)热轧角钢檩条普通角钢檩条取材方便，用钢量大，只适合跨度、檩距及荷载较小的情况。3)高频焊接轻型H型檩条系引进国外先进技术生产的一种轻型型钢，具有腹部薄、抗弯刚度好、两主轴方向的惯性矩比较接近，以及翼缘板平直易于连接等优点。4)组合檩条。组合檩条由两个热轧角钢焊成，有组合槽钢和组合Z形钢两种形式。用钢量比普通热轧槽钢省，焊接工作量大，适用跨度＜4m的情况。当屋面坡度i＞1／3时，Z形钢比槽钢截面受力更合理。2)热轧角钢檩条111

(2)冷弯薄壁型钢檩条

同样面积的冷弯型钢檩条和普通热轧型钢檩条相比，前者回转半径可增大50％以上，惯性距和面积距约可增大50％～180％。故冷弯薄壁型钢的受力性能好、承载能力高、整体刚度大，可以节约钢材，减轻结构自重，制造安装方便，是一种合理的檩条形式。目前，网架结构中使用的檩条大多为冷弯薄壁型钢檩条。

112冷弯薄壁型钢檩条有两种截面形式：1)卷边(或斜卷边)Z形钢檩条，适用于屋面坡度i＞l／3，屋面荷载作用线接近于其截面的弯心(扭心)。它的主平面x轴的刚度大，挠度小，用钢量省，制造和安装方便，在现场可叠层堆放。2)卷边C形檩条。卷边C形檩条，适用于屋面坡度i≤1／3的情况，其截面在使用中互换性大，用钢量省，最为常用的檩条。冷弯薄壁型钢檩条有两种截面形式：1132．檩条荷载(1)永久荷载屋面材料重量、支撑及檩条结构自重。(2)可变荷载屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载和风荷载。(3)荷载组合1)均布活荷载不与雪荷载同时考虑，设计时取两者中的较大值。2)积灰荷载应与均布活荷载或雪荷载的较大值同时考虑。3)施工或检修集中荷载不与均布活荷载或雪荷载同时考虑。4)坡度屋面(坡度为1／8～1／20)，可以不考虑风的正压力，风荷载较大时，应验算在风吸力作用下，永久荷裁和风荷载组合截面应力反号的情况，永久荷载的分项系数取1.0。2．檩条荷载1143．檩条计算实腹式檩条的计算可按简支和连续两种计算模型，分别计算两个方向的弯距：1）对x轴，由py引起的弯矩。单跨简支构件：跨中最大弯矩M＝pyl2／8，l为檩条的跨度。多跨连续构件：跨中和支座弯矩均近似取Mx＝pyl2／10。2)对y轴，由px引起的弯矩，无拉条时按简支梁计算；如有拉条作为侧向支撑点，按多跨连续梁计算。无拉条时，跨中弯矩My＝pxl2／10。一根拉条位于l／2时，跨中负弯矩My＝pxl2／32。两条拉条位于l／3时，l／3处负弯矩My＝pxl2／90，跨中正弯矩My＝pxl2／360。3．檩条计算115选定檩条截面后，需做强度、平面内稳定和挠度验算。由于屋面板能阻止檩条的侧向失稳，再加上拉条的设置，一般可不验算平面外的稳定。对金属压型板屋面规范容许挠度值可按l／200计算，l为檩条的跨度。4．檩条的布置、连接与构造(1)檩条布置与构造1)截面尺寸。实腹式檩条的截面高度h，一般可取跨度的1／35~1／50；檩条的截面宽度b，由截面高度h所选用的型钢规格所确定，一般取高度的1／2~1／3。2)为使上弦杆不产生弯矩，檩条一般都位于网架上弦节点处。当采用内天沟时，边檩应尽量靠近天沟。选定檩条截面后，需做强度、平面内稳定和挠度验算。由于屋面板能1163)实腹式檩条的截面均宜垂直于屋面坡面。对槽钢和Z形钢檩条，宜将上翼缘肢尖(或卷边)朝向屋脊方向，以减少屋面荷载偏心而引起的扭矩。4)檩条与屋面应可靠连接，以保证屋面能起到阻止檩条侧向失稳和扭转的作用，这对一般不需验算整体稳定性的实腹式檩条尤为重要。檩条与压型钢板屋面的连接，檩条应通过勾头螺栓或自攻螺丝和镀锌钢支架及压型钢板牢固连接。3)实腹式檩条的截面均宜垂直于屋面坡面。对槽钢和Z形钢檩条，117(2)檩条的连接檩条端部与网架的连接应能阻止檩条端部截面的扭转，以增强其整体稳定性。实腹式檩条与网架结构的连接处(球节点处)可设置小立柱支托。实腹式檩条连接可以按简支方式连接，连接板焊接在支托板上，支托两边檩条通过螺栓和连接板固定，也可以把檩条直接焊接在连接板上；也可按连续方式连接、带斜卷边的Z形檩条可采用叠置搭接，卷边C形檩条可采用不同型号的卷边C形冷弯薄壁型钢套置搭接。斜卷边Z形檩条的搭接长度2a及其连接螺拴直径，应根据连续粱中间支座处的弯矩确定。在同一工程中宜尽量减少搭接长度的类型。(2)檩条的连接118最新jzgjgsj522网架结构课件119主次檩的连接形式有平接和上下叠接。上下叠接是把次檩直接置于主檩上面的支托扳上，构造简单，施工方便，加之屋面一般无建筑净空要求，这种连接方式采用较多，而平接由于需加焊肋板，对檩条会产生焊接残余应力，构造上又要比上下叠接复杂，较少采用。当荷载较大时，主檩一般选用型钢。主次檩的连接形式有平接和上下叠接。上下叠接是把次檩直接置于主120(3)檩条的拉条和撑杆设置1)拉条的设置。檩条的拉条设置与否主要和檩条的侧向刚度有关，对于侧向刚度较大的轻型H型钢檩条一般可不设拉条。对于侧向刚度较差的其他实腹式檩条，为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转．保证其整体稳定性，一般需在檩条间设置拉条，作为其侧向支承点。当檩条跨度≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；当屋面坡度i＞1／10，檩条跨度＞4m时，宜在檩条跨中位置设置一道拉条；当跨度＞6m时，宜在檩条跨度三分点处设两道拉条。在槽口处还应设置斜拉条和撑杆。拉条的直径为8～12mm，根据荷载和檩距大小取用。(3)檩条的拉条和撑杆设置1212)撑杆的设置。檩条撑杆的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。撑杆的长细比按压杆要求λ≤220，可采用钢管、方管或角钢做成。目前也有采用钢管内设拉条的做法，它的构造简单。撑杆处应同时设置斜拉条。2)撑杆的设置。檩条撑杆的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩1223)拉条和撑杆的连接。拉条和撑杆与檩条的连接如下图，斜拉条与檩条腹板的连接一般应予弯折，弯折的直段长度不宜过大，以免受力后发生局部弯曲。斜拉条弯折点距腹板边距宜为10～15mm。如果条件许可，斜拉条可不弯折，而采用斜垫板或角钢连接。3)拉条和撑杆的连接。拉条和撑杆与檩条的连接如下图，斜拉条与1232.9.2屋面板网架结构的屋面板一般宜选用具有轻质、高强、耐久、保温、隔热、隔声、抗震及防水等性能的建筑材料，同时要求材料构造简单、施工方便，并能工业化生产。随着新材料、新工艺的发展，可选择的材料很多。目前，网架采用的屋面材料有彩色压型钢板、铝塑复合板、纯铝板、铝镁镭板、不锈钢板、夹胶玻璃、阳光板等。铝塑复合板价格适中，装饰效果好，但塑料易老化、褪色，不适应恶劣气候；纯铝板、不锈钢板性能良好，但价格昂贵，高级板材需进口，较少采用；铝镁锰板价格较高，防水防锈性能好；夹胶玻璃在门厅、采光顶等小型网架中应用较多；阳光板重量轻、耐候性好、隔热性能好、防火，加工性能良好，透光率高、价格也不贵，是较好的网架屋面材料，尤其在有采光要求时。2.9.2屋面板124当前应用最为广泛的屋面材料是彩色压型钢板。彩色压型钢板涂层钢板为原材料，经过辊压冷弯成型的建筑用围护板材。它具有自重轻、外观、抗震性能好、安装方便、施工速度快、防水性和密封性好、抗弯、抗腐蚀、防火性好等特点。用于彩色压型钢板的基板材料的金属镀层主要有镀锌、镀锌铝和镀铝锌三种。彩色涂层钢板用的油漆主要有聚脂漆、改良型聚酯漆和氟碳漆等。压型钢板根据波高可分为高波板(波高大于70mm)和低波板(波高小于和等于70mm)。根据板型连接方式不同可分为暗扣式和明钉式。

当前应用最为广泛的屋面材料是彩色压型钢板。彩色压型钢板涂层钢125压型钢板构造要求：(1)压型钢板的挠度与跨度之比不应超过下列极限：屋面板坡度＜1／20时，1／250；屋面板坡度≥1／20时，1／200。(2)彩色压型钢板长度方向的搭接端必须与支承构件有可靠的连接，搭接部位应设置防水密封胶带。搭接长度不宜小于下列极限：波高≥70mm的高波屋面彩色压型钢板：350mm波高＜70mm的低波屋面彩色压型钢板：250mm屋面坡度＜1／10时，250mm屋面坡度＞1／10时，200mm

压型钢板构造要求：126(3)铺设高波压型钢板屋面时，应在檩条上设置固定支架，固定支架一般为2~3mm厚钢带，在现场焊接于檩条上，檩条上翼缘宽度应比固定支架宽10mm。固定支架用自攻螺钉或射钉与檩条连接，每波设一个；低波压型钢板可不设置固定支架，宜在波峰处采用带有防水密封胶垫的自攻螺钉或射钉、勾头螺栓与镍条连接，连接点可每波设一个，但每块压型钢板与同一檩条的连接不得少于3个连接件。三、天沟和马道马道是网架上用来悬挂或检修灯具、设备的通道。由于网架杆件不能受弯，可在下弦节点上布置型钢梁，马道布置在型钢梁上。也有把马道直接布置在下弦杆上，但布置马道的下弦杆截面和高强螺栓必须考虑横向荷载的作用，做抗弯、抗剪验算。(3)铺设高波压型钢板屋面时，应在檩条上设置固定支架，固定支1272.9.4网架结构的防锈网架结构的杆件和节点采用钢材制作，钢材的最大缺点是容易锈蚀。锈蚀使杆件的截面减少，大大降低了网架结构的安全度和使用年限。因此必须采取有效的防锈措施。网架结构的防锈方法有三种：一是改变金属结构的组织，在钢材炼制过程中增加铜、铬和镍等合金元素以提高钢材的抗锈能力，如采用不锈钢材料制造网架；二是在钢材表面用金属镀层保护，如电镀和热浸镀锌等方法；三是在钢材表面涂以非金属保护层，即用涂料将钢材表面保护起来使之不受大气中有害介质的侵蚀。最常见的是采用非金属涂料的防锈方法，这种方法价格低廉，效果好，选择范围广，适应性强。2.9.4网架结构的防锈128非金属涂料防锈方法需经过表面除锈和涂料施工两道工序。l.表面除锈表面除锈的目的是彻底清除构件表面的毛刺、铁锈、油污及其附着物，使构件表面露出银灰色，可增加涂层与构件表面的粘合附着力，使防护层不会因锈蚀而脱落。表面除锈的方法一般有：(1)人工除锈即用刮刀、钢丝刷、砂皮和电动砂轮等简单工具，用手工将钢材表面的氧化铁、铁锈、油污等除去。(2)抛丸除锈在封闭房间内用铁砂或铁丸冲击构件表面，以清除构件表面铁锈、油污等杂质。抛丸除锈效果好，除锈彻底。但卫生条件很差。抛丸时应尽量避免采用石英砂和海砂。(3)酸洗和酸洗磷化除锈

非金属涂料防锈方法需经过表面除锈和涂料施工两道工序。129

2．涂料施工涂在钢材表面的涂料俗称油漆，由膜物质、颜料、有机溶剂等组成，涂刷在表面，形成一层附着坚固的涂膜，保护钢材不受周围侵蚀介质作用，以达到防锈蚀的目的。涂料是一种含油或不含油的胶体溶液，分为底漆和面漆两大类。对底漆，要求对涂装面附着力好，渗透性好，一般底漆含较多颜料、填料，以降低漆膜干燥时的收缩率，增加屏蔽