空间钢结构的概念与应用

第二章空间网架结构

2.1网架的形式由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的平板空间结构。具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点；网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。1.网架按弦杆层的形式按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架2.双层网架的常用形式

（1）平面桁架系网架两向正交正放网架两向正交斜放、斜交斜放网架三向网架特点：由平面桁架相互交叉所组成，其上、下弦杆长度相等，杆件类型少，且上、下弦杆和腹杆在同一平面内。一般应使斜腹杆受拉，竖杆受压。斜腹杆与弦杆间的夹角宜在40°～60°之间。

两向正交正放网架

由两组分别与边界平行的平面桁架互成90°交叉组成。同一方向的各平面桁架长度一致。

网架本身属几何可变体系。适用于建筑平面为正方形或接近正方形且跨度较小的情况。两个方向的杆件内力差别不大，受力较均匀。

两向正交斜放网架

短桁架对长桁架有嵌固作用，受力有利。角部产生拔力，常取无角部形式。比正交正放网架空间刚度大，受力均匀，用钢省。适用于建筑平面为矩形的情况。三向网架

特点：几何不变体系，网架空间刚度大，受力性能好，内力分布也较均匀。杆件数量多，节点构造比较复杂。三向网架适用于大跨度且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形的情况。

（2）四角锥体系网架

正放四角锥网架正放抽空四角锥网架棋盘形四角锥网架斜放四角锥网架星形四角锥网架正放四角锥网架正放抽空四角锥网架

杆件受力较均匀，空间刚度比其它类型的四角锥网架及两向网架好。适用于建筑平面接近正方形的周边支承及点支承情况。

周边网格锥体不动外，跳格地抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸扩大一倍。适用于中、小跨度或屋面荷载较轻的周边支承、点支承以及周边支承与点支承结合的网架。

棋盘形四角锥网架

正放四角锥网架周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放。上弦杆比下弦杆短，受力合理。克服了斜放四角锥网架屋面板类型多，屋面组织排水较困难的缺点。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。

斜放四角锥网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。杆件数量少，屋面板类型多，屋面组织排水较困难。适用于中、小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩形平面情况。

星形四角锥网架架由两个倒置的三三角形小桁架相相互正交单元组组成。适用于中中、小跨度周边边支承方形或接接近方形平面的的网架。（3）三角锥体系系网架三角锥网架抽空三角锥网架蜂窝形三角锥网架架三角锥网架上、下弦平面均为为三角形网格。杆杆件受力均匀，本本身为几何不变体体，整体抗扭、抗抗弯刚度好。适用用于大中跨度及重重屋盖建筑物，当当建筑平面为三角角形、六边形和圆圆形时最为适宜。。抽空三角锥网架抽去部分三角锥单单元的腹杆和下弦弦杆。下弦杆内力力较大，用钢量省省，但空间刚度较较三角锥网架小。。适用于中、小跨跨度的三角形、六六边形和圆形等平平面的建筑。蜂窝形三角锥网架架上弦为正三角形和和正六边形网格，，下弦为正六边形形网格。本身几何何可变。其上弦杆杆短，下弦杆长，，受力合理。适用用于中、小跨度周周边支承的情况，，可用于六边形、、圆形或矩形平面面。2.2网架选选型根据建筑平面形状和跨度大小，支承方式、荷载大小、屋面构造和材料、制作安装方法等因素。《网架结构设计与与施工规程》JGJ7-91大跨度为60m以以上中跨度为30～60m小跨度为30m以以下1网架结构的的支承及其选型支承方式:周边支承点支承周边支承与点支承承相结合两边和三边支承等等。周边支承点支承点支承网架受力与与钢筋混凝土无梁梁楼盖相似。为减小跨中正弯矩矩及挠度，设计时时应尽量带有悬挑挑，多点支承网架架的悬挑长度可取取跨度的1／4～1／3。周边支承与点支承承结合各种柱帽形式点支承网架与柱子子相连宜设柱帽以以减小冲剪作用。。柱帽可设置于下弦弦平面之下(图a)，也可设置于于上弦平面之上(图b)。当柱子直接支承上上弦节点时，也可可在网架内设置伞伞形柱帽(图c)，这种柱帽承载载力较低，适用于于中小跨度网架。。2网架高度及及网格尺寸网架的高度与屋面面荷载、跨度、平平面形状、支承条条件、设备管道等因素有有关。3网架的挠度度要求及屋面排水水坡度容许挠度：用作屋盖—L2/250，用作楼盖—L2/300排水坡度：3%～5%起拱要求：L2/3002.3网架的计计算要点1.直接作用（荷荷载）和间接作用用对使用阶段荷载作用下的内力和位移进行计算，并应根根据具体情况对地震作用、温度变变化、支座沉降等间接作用及施工安装荷载引起的内力和位移移进行计算。（1）永久荷载：①网架自重；②屋屋面（或楼面）材材料重力；③吊顶顶材料的重力；④④设备管道的重力力。双层网架自重gok（kN/m2）式中，gok——网架自重（kN/m2）；L2——网架的短向跨跨度（m）；qw——除网架架自重外的的屋面荷载载或楼面荷荷载的标准准值（kN/m2）；ξξ——系数数。对杆件件采用钢管管的网架取取ξ=1.0；采采用型钢的的网架取ξξ=1.2。（2）可变变荷载：活荷载、雪雪荷载、积积灰荷载、、风荷载及及吊车荷载载（3）抗震震验算：竖向抗震验验算设防烈度为为8度或9度的地区，，周边支承及及多点支承承和周边支支承相结合合的网架v为竖向地震震作用系数数。悬挑长度度较大的网架屋屋盖结构构以及用用于楼层的网架结结构，当设防烈烈度为8度或9度时，其其竖向地地震作用用标准值值可分别别取该结结构重力荷载载代表值值的10%或20%。设计基基本地震震加速度度为0.3g时，可取取该结构构重力荷荷载代表表值的15%。计算重重力荷载载代表值值时，永久荷载载取100%，雪荷载载和屋面面积灰荷荷载取50%，不计屋屋面活荷荷载。水平抗震震验算在抗震设设防烈度度为8度的地区区，对于于周边支支承的中中小跨度度网架可可不进行行水平抗抗震验算算；在抗抗震设防防烈度为为9度的地区区，对各各种网架架结构均均应进行行水平抗抗震验算算。（4）温温度内力力：不计算的的条件①支座节节点的构构造允许许网架侧侧移，②周边支承的网架，当网架验算方向跨度小于40m，且支承结构为独立柱或砖壁柱；③在单位力作用下，柱顶位移大于或等于下式的计算值

需要计算时，采用空间桁架位移法，或近似计算方法。

（5）荷荷载及荷荷载效应应组合对非抗震设计计，《建筑结结构荷载规范范》GB50009；；对抗震设计，，《建筑抗抗震设计规范范》GB500112.网架内力分析析方法按弹性阶段计计算（1）空间桁桁架位移法（（空间杆系有有限元法）（2）交叉梁梁系差分法是是一种简化计计算方法（3）拟夹层层板法是又一一种简化计算算方法（4）假想弯弯矩法也属简简化计算方法法2.4空间间杆系有限元元法以网架的杆件为基本单元，，以节点位移为基本未知量量。先由杆件件内力与节点点位移之间的的关系建立单单元刚度矩阵阵，然后根据据各节点平衡衡及变形协调调条件建立结结构的节点荷荷载和节点位位移间关系，，形成结构总总刚度矩阵和和总刚度方程程。总刚度方方程是以节点点位移为未知知量的线性方方程组。引入入边界条件后后，求解出各各节点位移值值。最后由杆杆件单元内力力与节点位移移间关系求出出杆件内力。。1.基本假定定（1）网架的的节点为空间间铰接节点，，杆件只承受受轴力；（2）结构材材料为完全弹弹性，在荷载载作用下网架架变形很小，，符合小变形形理论。2.空间杆系系有限元法要要点（1）单元刚度矩阵阵空间杆系有限单元：每个杆件共有有6个自由度度：对应6个杆端端力：它们之间的关关系是式中即单元刚度矩矩阵。和结构构力学的矩阵阵位移法一致致，只是相应于剪力力的各项均为为零。（2）坐标转换杆单元在整体坐坐标系中的位置置坐标转换矩阵[T]为：（3）结构总刚度矩阵阵及总刚度方程程（4）结构总刚矩阵中中边界条件的处处理方法位移为零：划行行划列法和乘大大数法。弹性约束：将弹弹簧刚度K0叠加到总刚矩阵阵中对应的主对对角元上。指定位移：主对对角元和右端项项乘以大数R（5）网架的边界条件件及对称性利用用当网架结构（包包括支座）和外外荷载有n个对称面时，可可利用对称条件件只分析网架的的1/(2n)。对称面内各杆件件的截面积应取取原截面面积的的一半，n个对称面交线上上的中心竖杆，，其截面面积应应取原截面面积积的1/(2n)。在对称荷载作用用下，对称面内内网架节点的反反对称位移为零零；在反对称荷荷载作用下，对对称面内网架节节点的对称位移移应取为零。（6）斜边界处理根据边界点的位位移情况设置具具有一定截面积积的附加杆对斜边界上的节节点位移做坐标标变换（7）杆件内力展开为：3.空间杆系有有限元法计算步步骤（1）计算简图图，对节点和杆杆件进行编号；；（2）计算杆件件单元长度及杆杆件与整体坐标标轴夹角余弦；；（3）初选各杆杆的截面积；（4）建立局部部和整体坐标系系下的单元刚度度矩阵；（5）集合总刚刚矩阵；（6）建立荷载载列阵；（7）引入边界界条件对总刚度度方程进行处理理；（8）求解总刚刚度方程，得出出各节点位移值值；（9）根据节点点位移计算杆件件内力；（10）按杆件件内力调整杆件件截面，并重新新计算，迭代次次数宜不超过4～5次。2.5网架杆杆件设计截面钢管、热轧型钢钢和冷弯薄壁型型钢计算长度（l为杆件几何长度度）容许长细比（1）受压杆件：[]=180（2）受拉杆件：一一般杆件[]=400，支座附近处杆杆件[]=300，直接承受动力荷荷载杆件[]=250。网架节点型式主要要有：（1）按节点在网网架中的位置可分分为：中间节点和和支座节点。（2）按节点的连连接方式可分为：：焊接连接节点、、高强螺栓连接节节点、焊接和高强强螺栓混合连接节节点。（3）按节点的构构造形式可分为：：焊接空心球节点点；螺栓球节点；；焊接钢板节点；；焊接钢管节点；；杆件直接汇交节节点。我国常用的是钢板板节点、焊接空心心球节点、螺栓球球节点。2.6节点设计计焊接空心球节点螺栓球节点焊接钢板节点焊接钢管节节点杆件直接汇汇交节点网架的节点点构造应满满足下列要要求受力合理，，传力明确确；保证杆件汇汇交于一点点，不产生生附加弯矩矩；构造简单，，制作安装装方便，耗耗钢量小；；避免难于检检查、清刷刷、涂漆和和容易积留留湿气或灰灰尘的死角角或凹槽，，管形截面面应在两端端封闭。焊接空心球球节点是用用两块圆钢钢板（钢号号Q235钢或Q345钢））经热压或或冷压成两两个半球后后对焊而成成的。钢球球外径一般般为160㎜～500㎜。分分加肋与不不加肋两种种（图），，当焊接空空心球的直直径大于300，且且杆件内力力较大时，，采用加肋肋球。肋板板厚度不应应小于球壁壁等厚。焊接空心球球的优点是是传力明确确，构造简简单，造型型美观，连连接方便，，适应性强强。1.焊接接空心球节节点焊接空心球球直径：D＝（d1＋2a＋d2）/θ空心球节点点杆件间缝缝隙焊接空心球球节点构造造受压空心球球承载力设设计值：受拉空心球球承载力设设计值：焊缝可按对对接焊缝计计算，质量量应达到ⅡⅡ级要求：：否则只能能作为斜角角角焊缝按按下式计算算：螺栓球节点点由钢球、、高强螺栓栓、紧固螺螺栓、套筒筒、锥头或或封板等零零件组成，，适合于连连接圆钢管管杆件。螺栓球节点点的优点是是节点小，，重量轻，，节点用钢钢量约占网网架用钢量量的10％％。可用于于任何形式式的网架，，特别适合合于四角锥锥、三角锥锥体系的网网架。这种种节点安装装极为方便便，可拆卸卸，安装质质量宜达到到保证。可可以根据具具体情况采采用散装、、分条拼装装和整体拼拼装等安装装方法。螺螺栓球节点点的缺点是是，球体加加工复杂，，零部件多多，加工精精度高；价价格贵；所所需钢号不不一，工序序复杂。2.螺螺栓球节点点螺栓球连接接节点图示示钢球尺寸螺栓不碰要要求：套筒接触面面要求：钢球直径取取式以上两两式的较大大值。当相邻两杆杆夹角θ＜30°时时，还要保保证相邻两两根杆件（（管端为封封板）不相相碰要求：螺栓尺寸当杆件管径径较大时采采用锥头连连接。管径径较小时采采用封板连连接。连接接焊缝以及及锥头的任任何截面应应与连接钢钢管等强。。杆件端部连连接焊缝锥头和封板板套筒通常开开有纵向滑滑槽(图)，滑槽宽度度一般比销销钉直径大大1.5-2mm。套筒应进进行承压验验算：套筒端部到到开槽端部部(或钉孔端)距离应使该该处有效截截面抗剪力力不低于销销钉(或螺钉)抗剪力，且且不小于1.5倍开槽的宽宽度或6mm。套筒端部部要保持平平整，内孔孔L径可比螺栓栓直径大1mm。套筒几何尺尺寸3.焊接钢板节节点钢板节点的的构造及设设计钢板节点的的节点板及及盖板所采采用的钢材材应与网架架杆件一致致。钢板节节点的构造造及设计要要点如下：：（1）杆件件重心线在在节点处宜宜交与一点点，否则应应考虑其偏偏心影响（2）杆件件与节点连连接焊缝的的分布，应应使焊缝截截面的重心心与杆件重重心重合，，否则应考考虑其偏心心影响；（3）便于于制作和拼拼装。网架架弦杆应与与盖板和节节点板共同同连接，当当网架跨度度较小时，，弦杆也可可只与节点点板连接；；（4）节点点板厚度的的选择与平平面桁架的的方法相同同，应根据据网架最大大杆件内力力确定。节节点板厚度度应比连接接杆件的厚厚度大2㎜㎜，且不得得小于6㎜㎜。节点板板的平面尺尺寸应适当当考虑制作作和装配的的误差。（5）当网架杆件件和节点板板间采用高高强螺栓或或角焊缝连连接时，连连接