平板网架结构

第二章平板网架结构平板网架结构

Plate-likeSpaceTruss§1.网架结构在中国的发展1.第一个网架，1964年，上海师范大学球类馆屋盖（31.5m×40.5m、角钢杆件）2.第一批有影响的网架

1967年，首都体育馆；

1973年，上海万人体育馆70年代初，辽宁体育馆、上海文化广场4.80年代初，专业生产网架厂家出现，形成专业化生产3.1981年，《网架结构设计与施工规定》颁布，世界第一个由国家颁发的网架结构技术规范首都体育馆99X112.2m,正交斜放网架，高6m,15X17格，网格尺寸6.6m16Mn钢角钢杆件，板式螺栓节点（高强M22)，65kg/m2上海万人体育馆三向网架，直径110m,外挑2X7.3m,高6m,网格边长6.28m16Mn钢钢管杆件，空心球节点，47kg/m25.单层工业厂房的大面积应用，网架结构的发展进入新的阶段。80年代初，唐山地震灾害重建，唐山齿轮厂联合厂房、唐山机车车辆厂客车总装车间均采用上万米网架结构（具有较好的抗震性能）90年代初，天津无缝钢管厂管加工车间（60000平方米）、长春第一汽车厂轿车总装厂房（80000平方米）、哈尔滨东安发动机装配车间厂房(60000平方米)90年代后期，年建设网架100万平方米以上，“网架王国”§1.网架结构在中国的发展网架结构的优点

空间受力作用，所有杆件均参加工作，具有良好受力性能

刚度和整体性由于一般平面结构

良好的抗震性能

制作安装方便、工厂化预制，减少现场施工量网架结构的应用范围1.体育建筑2.公共建筑3.单层工业厂房4.飞机库5.加油站6.收费站7.其它平板网架结构

Plate-likeSpaceTruss§2.网架结构的类型与选型一、网架的类型1.交叉桁架系网架2.四角锥体系网架3.三角锥体系网架§2.网架结构的类型与选型：一、网架的类型1.交叉桁架系网架下弦杆腹杆上弦杆支撑杆斜腹杆应布置成使杆件受拉方向比较有利1.交叉桁架系网架（1）两向正交正放网架两向节间应布置成偶数。支承平面内应设置斜杆，传递水平荷载。1.交叉桁架系网架（2）两向正交斜放网架各榀桁架刚度各异，形成良好空间作用有角柱无角柱1.交叉桁架架系网架架（3）两向斜斜交斜放放网架适用于矩矩形平面面，构造造复杂，，受力欠欠佳，有特殊建建筑要求求时采用用1.交叉桁架架系网架架（4）三向网网架适用跨度度较大(L>60m),平面为三三角形、、六边形形、多边边形和圆圆形空间刚度度大、受受力性能能好、支支座受力力较均匀匀，节点点构造复复杂(Nmax=13)1.交叉桁架架系网架架（5）单向折折线形网网架由一系列列平面桁桁架斜交交成V形，也可可看成正正放四角角锥网架架取消了了纵向上上下弦杆杆单向受力力，不需需要支撑撑周边增设设部分联联系杆件件，增加加整体刚刚度，构构成空间间结构)2.四角锥体体系网架架下弦杆腹杆上弦杆2.四角锥体体系网架架（1）正放四四角锥网网架受力均匀匀，空间间刚度大大，应用最广广2.四角锥体体系网架架（2）正放抽抽空四角角锥网架架杆件数目目少、构构造简单单、经济济效果好好下弦杆件件受力不不均匀，，刚度较较小，用用于较小小跨度、、轻屋面面、无吊吊顶2.四角锥体体系网架架（3）斜放四四角锥网网架上弦杆短短、下弦弦杆长、、节点构构造简单单应用较广广泛2.四角锥体体系网架架（4）棋盘形形四角锥锥网架斜放四角角锥网架架水平转转动45度上弦杆短短、下弦弦杆长周边满锥锥时，刚刚度较好好屋面构造造简单2.四角锥体体系网架架（5）星形四四角锥网网架上弦杆短短、下弦弦杆长、竖杆受压压、内力力等于上上弦节点点荷载刚度稍差差、适用用于中小小跨度的的周边支支承3.三角锥体体系网架架3.三角锥体体系网架架（1）三角锥锥网架受力均匀匀，空间间刚度大大适用于大大中跨度度及重屋屋面的建建筑物3.三角锥体体系网架架（2）抽空三三角锥网网架整体刚度较差差适用于中小跨跨度的轻屋面面的建筑物3.三角锥体系网网架（3）蜂窝形三角角锥网架节点汇交6根，简化节点点构造上弦平面六边边形，增加屋屋面板布置和和找坡的困难难适用于中小跨跨度的周边支支承网架，用用于六边形、、圆形和矩形形平面§2.网架结构的类类型与选型二、网架结构构的支承1.周边支承2.点支承3.周边支承与点点支承结合4.三边或两边支支承5.单边支承二、网架结构构的支承1.周边支承传力直接、受受力均匀，支支座支承于柱柱顶或连梁，，最常见二、网架结构构的支承2.点支承受力与无梁楼楼盖相似2.点支承柱帽形式二、网架结构构的支承3.周边支承与点点支承结合可有效地减少少网架杆件的的内力峰值和和挠度适用于大柱网网工业厂房、、仓库、展览览馆等二、网架结构构的支承4.三边或两边支支承自由边的存在在对网架内力力分布和挠度度都不利在飞机库、影影剧院、工业业厂房、干煤煤棚等中应用用二、网架结构构的支承5.单边支承受力与悬挑板板相似多用于挑篷结结构二、网架结结构的支承承网架支承位位置(A)上弦支承(B)下弦支承(C)混合支承(D)下弦支承§2.网架结构的的类型与选选型三、网架结结构的选型型网架的选型型应根据建建筑平面形形状和跨度度大小、支支承方式、、荷载大小小、屋面构构造和材料料、制作方方法等方面面因综合确确定矩形平面、、周边支承承：长宽比比小于或等等于1.5时，宜选用用斜放四角角锥、棋盘盘形四角锥锥、正放抽抽空四角锥锥网架，也也可以考虑虑两向正交交斜放网架架，两向正正交正放网网架。正放四角锥锥网架钢量量较其他网网架高，但但杆件标准准化程度比比其他网架架好，目前前采用较多多。对于中中小跨度，，也可选用用星形四角角锥网架和和蜂窝形三三角锥网架架。当边长比大大于1.5时，宜先用用两向正交交正放网架架，正放四四角锥网架架和正放抽抽空四角锥锥网架。当当平面狭长长时，可采采用单向折折线形网架架。§2.网架结构的的类型与选选型三、网架结结构的选型型对于平面形形状为矩形形、点支承承情况，宜宜采用两向向正交正放放网架，正正放四角锥锥网架，正正放抽空四四角锥网架架。对于平面形形状为圆形形、多边形形等，宜采采用三向网网架，三角角锥网架，，抽空三角角锥网架。。对于大跨度度建筑，实实际工程的的经验证明明，三角锥锥网架和三三向网架其其耗钢量反反而比其他他网架省。。对于矩形平平面，三边边支承或二二边支承情情况，只要要对开口边边进行处理理，即可按按四边支承承情况选用用网架形式式。开口边边有两种处处理方法，，一是将整整个网架的的高度适当当增高，开开口边杆件件的截面加加大，使网网架整体刚刚度得到改改善；另一一种方法是是在其开口口边局部增增加网架层层数。§2.网架结构的的类型与选选型四、网架高高度和网格格尺寸网架尺寸取取决于屋面面材料的选选用，若屋屋面采用无无檩体系，，即采用钢钢丝网水泥泥板或带肋肋钢筋混凝凝土屋面板板，网格尺尺寸不宜超超过4m，否则屋面板板将很笨重重；如采用用有檩体系系，受檩条条经济跨度度影响，网网格尺寸不不宜超过6m。网格尺寸（（s）与网架高度度（h)有密切关系系，s/h之比越大，，斜腹杆与与上、下弦弦平面夹角角越小，通通常应使斜斜腹杆与弦弦杆夹角为为40°55°。网格尺寸和和网架高度度都与网架架跨度、支支承情况、、建筑平面面、屋面材材料、荷载载大小等因因素有关。。§2.网架结构的的类型与选选型四、网架高高度和网格格尺寸网架的上弦弦网格数和和跨高比（（优化结果果）§2.网架结构的的类型与选选型五、网架的的整体构造造1.网架屋面排排水坡的形形成(A)网架整体起起拱(B)网架变高度度(C)设短柱支托托设短柱支托托构造简单单，是采用用较多的找找坡方法五、网架的的整体构造造2.网架容许挠挠度与起拱拱度网架结构作作屋盖时，f<=L/250,L为短向跨度度网架结构作作楼盖时，f<=L/300,L为短向跨度度网架起拱给给网架制作作复杂，一一般网架可可不起拱，，要求起拱时，拱拱度f’<=L/300,L为短向跨度度平板网架结结构Plate-likeSpaceTruss§3.网架结构分分析一、网架计计算基本假假定1.节点为铰接，杆件只承承受轴力2.按小挠度理论计算3.按弹性方法分析网架是一种种空间杆系系结构，杆杆件之间通通过铰接节节点连接，，可忽略节节点刚度的的影响。仅仅能承受节节点集中荷荷载。§3.网架结构分分析与设计计二、网架结结构计算模模型和分析析方法1.铰接杆件计算模模型2.梁系计算模型3.平板计算模型计算模型分析方法a.有限元法b.差分法c.力法d.微分方程解解法二、网架结结构计算模模型和分析析方法1.空间桁架位位移法。一种铰接杆杆系结构的的有限元分分析法，适适合计算机机应用，是是精确方法法，是所有有方法中计计算精度最最高的。2.交叉梁系梁梁元法。适用于由平平面桁架系系组成网架架的一种方方法，以单单元网片等等代为梁元元，是简化化方法中精精度较高的的一种，误误差5%。3.交叉梁系力力法（两向平面面桁架系）），误误差10%-20%。4.交叉梁系差差分法（平面桁架架系或正放放四角锥）），误差10%-20%。5.混合法（平面桁架架系组成的的网架，适适合40m以下），误差0%-10%。6.假想弯矩法法（斜放四角角锥及棋盘盘四角锥，，适合中小小跨度），，误误差15%-30%。7.网板法（正放四角角锥），误误差10%-20%。8.下弦内力法法（计算蜂窝窝形三角锥锥网架），，误差差0-5%。9.拟板法（平面桁架架系及由角角锥体组成成的网架）），误差10%-20%。10.拟夹层板（适合40m以下网架）），误误差差5%-10%。二、网架结结构计算模模型和分析析方法铰接杆件计算模模型计算模型分析方法有限元法空间桁架位位移法三、空间桁桁架位移法法离散离散有限单元法法集成1.基本方程及单元刚度矩阵(A)杆件节点线位移(B)杆件节点力三、空间桁桁架位移法法单元局部坐坐标系中基基本方程三、空间桁桁架位移法法局部坐标单单元刚度矩矩阵γαβ坐标系统转转换三、空间桁桁架位移法法方向余弦坐标转换三、空间桁桁架位移法法转换矩阵整体坐标系系中基本方方程三、空间桁桁架位移法法整体坐标单单元刚度矩矩阵三、空间桁桁架位移法法三、空间桁桁架位移法法有限元集合合体的基本本方程组K——网架结构总体刚度矩阵；U——网架节点在在整体坐标标系中位移列阵；P——在整体坐标标系中网架架的外荷载列阵阵；支座约束类类型：四、边界条条件处理结构在整体体坐标系中中的总刚度度K是奇异的，，尚需引入入边界条件件以消除刚刚体位移。。根据边界界条件来修修正总刚度度矩阵以使使总刚度矩矩阵成为正正定阵。固定约束弹性约束强迫位移五、内力计计算及平衡衡校核Nij为杆件内力力，受拉为正、受压为负，正号时时方向与局局部坐标系系的x轴方向一致致。若j为支座节点点，则Rj为支座反力力，否则Rj应为零（以以此进行校校核）计算了每个个杆件内力力Nij后，可求出每每个节点按按静力平衡衡条件求节节点不平衡衡力向量Rj。五、内力计计算及平衡衡校核六、结构重重分析及收收敛条件循环n次，两次截截面相差不不超过5%即可（通常常3-4次）网架结构为为多次超静静定结构，，需假想结结构初始截截面A0K0U0N0A1A1K1U1N1A2平板网架结结构Plate-likeSpaceTruss§4.网架结构设设计二、网架结结构温度作用三、网架结构地震作用一、基本荷载四、杆件、节点点和支座设计和和构造五、网架制作与与安装§4.网架结构设计一、基本荷载1.网架自重（程序自动计算算）永久荷载2.屋面板/楼面板（包括连接檩条条）3.吊顶材料自重4.悬挂设备、管道道等自重§4.网架结构设计一、基本荷载1.屋面或楼面活荷荷（一般不上人屋屋面，0.5kN/m2）可变荷载2.雪荷载（不与活荷同时考考虑）3.风荷载4.积灰荷载5.吊车荷载6.温度作用7.地震作用§4.网架结构设计二、网架结构温度作用网架是超静定结构，在均匀温温度场变化作用用下，由于杆件件不能自由热胀胀冷缩，杆件内内会产生应力，，这种应力称为为网架的温度应力。温度场变化范范围是指施工安装完毕（网架支座与下下部结构连接固固定牢固）时的的气温与当地常常年最高或最低气温之差。它的计算算方法有采用空间桁架位移法法的精确分析法和和把网架简化为为平面构架的近似分析法。当温度变化，网网架杆件中以支承平面弦杆的温度应力为最最大，随着支座座法向约束的减减弱而减少。当当支座法向约束减弱到一定程度度后，即可不考考虑温度应力的的影响(杆件温度应力小小于0.05f，可不考虑温度作作用)。1.网架不考虑温度应力的条件件网架规程中规定定，符合下列条条件之一者，可可不考虑温度内内力：1、支座节点的构构造允许网架侧移时，其值应等于于或大于计算值值；2、当周边支承的的网架、且网架架验算方向跨度度小于40m时，支承结构为为独立柱或砖壁柱柱；3、柱顶位移值大于或等于计算算值二、网架结构温度作用基本原理：1）首先将网架各节点加以约束束，求出因温度变变化而引起的杆杆件固端内力和各节点的节点不平衡力2）而后取消约束，将节点不平衡衡力反向作用在节点上，用空空间桁架位移法法求由节点不平平衡力引起的杆件内力3）最后，将杆件固端内力与由节点不平衡力引起的杆件内力力叠加，即求得网架的的杆件温度应力2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法二、网架结构温度作用E、a——分别为钢材的弹性模量和线膨胀系数Aij——ij杆的截面面积t——温度差（C），以升温为正1）因温度变化而引起起的杆件固端内内力当网架所有节点点均被约束时，，因温度变化而引起起ij杆的固端内力为为2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法同时，杆件对节节点产生固端节点力，其大小与杆件件的固端内力相相同，方向与它相反。设ij杆在i端有杆端内力ptij，则i端的杆端内力在在结构坐标系上上的分量pxipyipzi——分别为ij杆的I端内力在整体坐标系中的分力1）因温度变化而引起起的杆件固端内内力2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法2）节点不平衡衡力引起的杆件件内力2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法设与第i节点相连的杆件件有m根（下图），则则由杆端内力引引起的节点不平平衡力的分力为为：m——相交于节点i上的杆件数各节点上的节点不平衡衡力反向作用在网架各节节点上，即建立立由节点不平衡力引起的有限元几几何体基本方程程组，其表达式式：K——网架结构总刚度矩阵U——由节点不平衡力力引起的节点位移列向量量Pt——作用在网架节点点上的不平衡力列向量量2）节点不平衡衡力引起的杆件件内力2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法考虑了边界条件后，解得由节点点不平衡力产生生的各节点的位移值ij杆有节点不平衡力引起杆件内力为2）节点不平衡衡力引起的杆件件内力2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法3）网架杆件的温度度应力2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法架杆件的温度应力由杆件固端内力与由节点不平衡力引起的杆件内力叠加而得，即空间桁架位移法法与近似法比较较，除精度较高外，还可考虑网架架各个部位温差不同。这给一些些工业厂房因工艺要求对网网架各部位取不不同温度变化提提供计算上可能能性2.网架温度应应力的精确计算算法：空间桁架位移法法3）网架杆件的温度度应力杆件的温度应力力§4.网架结构设计三、网架结构地震作用地震发生时，由由于强烈的地面面运动而迫使网网架结构产生振振动，受迫振动动的网架，其惯性作用一般来说是不容容忽视的。正是是这个由地震引引起的惯性作用用使网架结构产产生很大的地震内力和位移，从而有可能造造成结构破坏或倒塌，或者失去结构工作能能力。因此在地震设设防区必须对网网架结构进行抗抗震计算。三、网架结构地震作用网架在地震作用用时的运动方程程为1运动方程U、Ù、Ü——分别为网架节点点在整体坐标系系中的位移、速度和加速速度列阵；ug——地面运动加速度度列阵；M、C、K——分别为结构的总总质量矩阵、阻阻尼矩阵和刚度矩阵三、网架结构地震作用2惯性特性质量矩阵：一致质量矩阵或凝聚质量矩阵3、特征方程结构体系的简单单振动是无阻尼尼自由振动，广广义特征方程为为2——特征值，即结构构振动圆频率的平方；Ф——特征向量，即结结构的振型向量三、网架结构地震作用4反应谱法是地震影响系数数，它综合代表表了地震的影响响为动力系数，它反映了结构构的最大绝对加速度度反应与地面运动最大大加速度的关系系三、网架结构地震作用4反应谱法K为地震系数，它反映了地面运动最大加加速度与重力加速度之之间的关系地震影响系数则则为对于网架结构的的抗震计算首先先要求计算结构构的竖向地震反应因而需要竖向地震反应谱谱。目前在抗震计计算中一般取竖竖向反应谱为水水平反应谱的1/22/3，在网架结构的的竖向地震反应应计算中可取2/3三、网架结构地震作用4反应谱法振型组合有多种种不同的方案，，其中被认为相相对比较合理的的方法是“平方和开方”，即相应于第j个模态的地震反反应三、网架结构地震作用5地震反应的组合合三、网架结构地震作用6竖向地震作用G——网架节点重力荷载代表值值aj——相应于第j振型的地震影响系数ηj——相应于第j振型并考虑地面面运动竖向分量量作用时的振型参与系数j振型在地面运动动竖向分量作用用下的最大地震震作用i节点上的恒荷载取100％；雪荷载及屋面积灰荷载取50％；不考虑屋面面活荷载，ψv为竖向地震作用系系数三、网架结构地震作用6竖向地震作用组合得网架的地地震作用将所得地震作用用等效反算并简化后，地计算作用用在网架第f节点上的地震作作用标准值三、网架结构地震作用6竖向地震作用竖向地震作用系系数(简化)三、网架结构地震作用6竖向地震作用平面复杂或重要的大跨度网架结构,还是应采用振型分解反应谱谱法或时程分析法分析和验算。悬挑长度较大的网架架屋盖结构以及及用于楼层的网架结构，当当设防烈度为8度或9度时，其竖向地震作作用标准值可分分别取该结构构重力荷载代表表值的10％或20％。计算重力荷载代代表值时，对一一般民用建筑可可取楼层活荷载的50％。§4.网架结构设计四、杆件、节点点和支座设计和和构造1杆件材料和截面面形式钢材品种主要为为Q235钢和Q345钢网架杆件的截面面形式a)圆管b)等肢角钢c)不等肢角d)单角钢e)H型钢f)方管圆管截面具有回转半径大和截面特性无方向性等特点，是目前前最常用截面形形式,圆钢管截面有高高频电焊钢管及及无缝钢管两种种。在设计中应应尽量采用高频频电焊钢管，较较无缝钢管造价价便宜且管壁较较薄。四、杆件、节点点和支座设计和和构造1杆件材料和截面面形式薄壁方管截面具具有回转半径大大、两个方向回回转半径相等的的特点，是一种种较经济截面，应用还不广泛泛H型钢适用受力较较大弦杆单角钢适用受力力较小的腹杆四、杆件、节点点和支座设计和和构造2杆件的计算长度度和容许长细比比网架杆件计算长长度经模型试验和参考平面桁架而确定┌──────────┬──────┬───────────────┐┐││││腹腹杆杆│││连接接形式││弦弦杆│││││││├├───────┬───────┤│││││支座腹杆杆│其其他腹杆││├──────────┼──────┼───────┼───────┤┤│螺栓栓球节点││1││1││1││├──────────┼──────┼───────┼───────┤┤│焊接空心球节点点│0．9│0．9│0．75│├──────────┼──────┼───────┼───────┤┤│板节点││1││1││0．8│└──────────┴──────┴───────┴───────┘┘杆件计算长度系系数四、杆件、节点点和支座设计和和构造2杆件的计算长度度和容许长细比比网架杆杆件的的容许许长细细比做做如下下规定定:1)受压杆杆件[λ]<=1802)受拉杆杆件a)一般杆杆件[λ]<=400b)支座附附近杆杆件[λ]<=300c)直接承承受动动力荷荷载[λ]<=250对于支座附附近处拉杆杆，因因边界界条件件复杂杂有时时会产产生变变号，，故要要求严严格一一些；；对于于直接承承受动动力荷载杆杆件则则要求求具有有更大大刚度度2)钢管不不宜小小于Ф48x2四、杆杆件、、节点点和支支座设设计和和构造造3杆件的的容许许最小小截面面尺寸寸根据《网架结结构设设计与与施工工规定定》(JGJ7——91)规定，，网架架杆件件的最最小截截面尺尺寸为为：1)普通角角钢不不宜小小于L50x33)跨度较较大的的网架架，宜宜不小小于Ф60x3四、杆杆件、、节点点和支支座设设计和和构造造4杆件设设计3)选用市场能能供应应的规格格一、杆杆件的的截面面选择择原则则1)每个网网架所所选截截面规格不不宜太太多，一般般较小小跨度度网架架以2-3种规格格为宜宜，较较大跨跨度网网架也也不宜宜超过过6-7种2)宜选用用厚度较较薄截面，，使杆杆件在在同样样截面面条件件下，，可获获得较较大回回转半半径，，对杆杆件受受压有有利4)钢管出出厂一