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

由两个倒置的三角形小桁架相互正交单元组成。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。

（3）三角锥体系网架三角锥网架抽空三角锥网架蜂窝形三角锥网架

三角锥网架

上、下弦平面均为三角形网格。杆件受力均匀，本身为几何不变体，整体抗扭、抗弯刚度好。适用于大中跨度及重屋盖建筑物，当建筑平面为三角形、六边形和圆形时最为适宜。

抽空三角锥网架

抽去部分三角锥单元的腹杆和下弦杆。下弦杆内力较大，用钢量省，但空间刚度较三角锥网架小。适用于中、小跨度的三角形、六边形和圆形等平面的建筑。

蜂窝形三角锥网架

上弦为正三角形和正六边形网格，下弦为正六边形网格。本身几何可变。其上弦杆短，下弦杆长，受力合理。适用于中、小跨度周边支承的情况，可用于六边形、圆形或矩形平面。

2.2网架选型

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。

《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91

大跨度为60m以上中跨度为30～60m小跨度为30m以下

1网架结构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相结合两边和三边支承等。周边支承点支承点支承网架受力与钢筋混凝土无梁楼盖相似。

为减小跨中正弯矩及挠度，设计时应尽量带有悬挑，多点支承网架的悬挑长度可取跨度的1／4～1／3。

周边支承与点支承结合

各种柱帽形式点支承网架与柱子相连宜设柱帽以减小冲剪作用。柱帽可设置于下弦平面之下(图a)，也可设置于上弦平面之上(图b)。当柱子直接支承上弦节点时，也可在网架内设置伞形柱帽(图c)，这种柱帽承载力较低，适用于中小跨度网架。

2网架高秆度及网戚格尺寸网架的钩高度与广屋面荷颈载、跨坟度、平凭面形状逐、支承爹条件、设备宾管道办等因渡素有夏关。3网架的册挠度要辩求及屋竭面排水商坡度容许挠躬度：用作吹屋盖—L2/2造50，用作楼钩盖—L2/30尾0排水坡塘度：3%～5%起拱要蛋求：L2/3逆002.3网架遇的计冻算要拍点1.直接作羡用（荷吩载）和嘉间接作间用对使用蚂阶段荷载细作用下的内力蚊和位踩移进行车计算厌，并斯应根丢据具任体情股况对地震作树用、温众度变化茎、支座削沉降等间蹦接作总用及施工安策装荷载引起猾的内途力和蜡位移孔进行敲计算屿。（1）永高久荷钩载：①网架侮自重扩；②屋面幻玉（或疯楼面疮）材包料重掏力；③吊顶材洞料的重册力；④设备引管道繁的重创力。双层网兼架自重gok（kN矩/m2）式中，gok——网架自陆重（kN/询m2）；L2——网架鸭的短桨向跨隆度（m）；qw——除网架党自重外硬的屋面源荷载或坑楼面荷插载的标笼准值（kN谎/m2）；ξ——系数。艰对杆件趁采用钢其管的网黎架取ξ=1矿.0；衡采料用型钢销的网架暮取ξ=1阁.2。（2）可轰变荷称载：活荷下载、骨雪荷帆载、即积灰样荷载脚、风篇荷载企及吊逐车荷沫载（3）抗勇震验膛算：竖向姓抗震蚁验算设防狭烈度虑为8度或9度的激地区膨，周边皱支承哑及多熔点支池承和申周边俭支承限相结贡合的角网架v为竖禽向地桶震作梢用系绳数。悬挑悔长度去较大的网葱架屋晒盖结凤构以押及用鼻于楼层的网架搂结构，当设防荷烈度为8度或9度时，俩其竖向菌地震作音用标准辰值可分宽别取该济结构重力荷俱载代表特值的10肯%或20%。设计叹基本地刃震加速蓄度为0.3铁g时，璃可取洋该结稻构重进力荷堡载代射表值孤的15点%。计算烤重力荷奏载代表泛值时，永久蛾荷载好取10吵0%，雪献荷载彼和屋浴面积雅灰荷砌载取50缸%，不劣计屋掩面活祥荷载法。水平将抗震绿验算在抗缠震设局防烈辉度为8度的桥地区左，对僵于周案边支汽承的荐中小轿跨度级网架喘可不厅进行朗水平挥抗震唤验算蛋；在里抗震渡设防求烈度巨为9度的地帖区，对午各种网戴架结构遍均应进盾行水平避抗震验离算。（4）温玻度内雅力：不计算平的条件①支座节子点的构猜造允许鸽网架侧段移，且窝侧移值垦不小于羞下式的赖计算值粗（例如材板式橡刺胶支座功）；②周边支奴承的网送架，当祖网架验纽奉算方向郊跨度小绝于40披m，且支承剃结构为么独立柱嫩或砖壁刃柱；③在单加位力退作用惊下，秩柱顶哭位移壮大于殃或等功于下创式的饥计算缸值需要店计算希时，采用普空间水桁架榜位移渠法，际或近肢似计乎算方灰法。（5）荷载感及荷载埋效应组沉合对非枯抗震舌设计煤，《建筑悬结构俗荷载禾规范》G鸟B矩50唐00折9；对抗震寸设计嫩，《建筑抗肆震设计娇规范》GB帖50钞0112.网架茶内力通分析狸方法按弹性忍阶段计移算（1）空疫间桁组架位猛移法群（空尖间杆锈系有惧限元拌法）（2）交叉恢梁系差衰分法是农一种简寇化计算芬方法（3）拟夹含层板法骡是又一血种简化余计算方映法（4）假想肺弯矩法登也属简哈化计算煎方法2.4空间至杆系久有限迹元法以网架享的杆件为基贱本单印元，店以节点密位移为基本昼未知量榴。先由鹿杆件内嘉力与节午点位移渐之间的射关系建瓣立单元暗刚度矩委阵，然屡后根据非各节点告平衡及杯变形协恳调条件编建立结摄构的节怎点荷载估和节点蹄位移间跃关系，滤形成结岭构总刚完度矩阵通和总刚蜘度方程俭。总刚绳度方程吸是以节盈点位移罚为未知挤量的线慌性方程般组。引皇入边界欣条件后事，求解捐出各节孔点位移烧值。最失后由杆界件单元待内力与统节点位南移间关香系求出攻杆件内治力。1.基本假炊定（1）网架巩的节点勉为空间微铰接节般点，杆使件只承屈受轴力规；（2）结构缘瑞材料为序完全弹烛性，在宋荷载作仔用下网息架变形报很小，乞符合小兵变形理俭论。2.空间绍杆系皂有限轿元法逮要点（1）单元糊刚度蛾矩阵空间摊杆系有限此单元朋：每个旗杆件贝共有6个自由脉度：对应6个杆番端力嘴：它们悠之间敲的关糟系是式中即单技元刚温度矩车阵。康和结涨构力投学的谁矩阵梳位移框法一壁致，效只是相共应于目剪力村的各狭项均帝为零疾。（2）坐标转由换杆单元墓在整体育坐标系愚中的位密置坐标转在换矩阵[T]为：（3）结构总抽刚度矩涛阵及总地刚度方瓶程（4）结构总渠刚矩阵丢中边界胡条件的款处理方葛法位移为渠零：划灭行划列奖法和乘下大数法墓。弹性约贤束：将桑弹簧刚窗度K0叠加到背总刚矩增阵中对宜应的主靠对角元脱上。指定位烦移：主妖对角元盼和右端尽项乘以名大数R（5）网架的脱边界条悉件及对遣称性利煌用当网架舞结构（本包括支锁座）和戚外荷载阻有n个对称约面时，班可利用秘对称条肃件只分榜析网架浸的1/(她2n)。对称面利内各杆眯件的截抄面积应昆取原截勤面面积责的一半怪，n个对杠称面盗交线赵上的她中心教竖杆询，其筑截面住面积川应取医原截手面面樱积的1/(搬2n)。在对称当荷载作糕用下，烤对称面映内网架如节点的词反对称果位移为辆零；在孟反对称踏荷载作右用下，怪对称面朱内网架犯节点的易对称位背移应取刺为零。（6）斜边界轮处理根据碗边界现点的也位移匆情况上设置融具有影一定怨截面始积的钩附加城杆对斜边糟界上的旧节点位汪移做坐蓬标变换（7）杆件诸内力展开为为：3.空间杆呢系有限卡元法计丛算步骤（1）计算均简图，预对节点求和杆件锡进行编尖号；（2）计算衬杆件单萌元长度云及杆件考与整体端坐标轴绕夹角余美弦；（3）初选销各杆的傻截面积候；（4）建立服局部和荒整体坐灵标系下固的单元醋刚度矩幼阵；（5）集谈合总酬刚矩译阵；（6）建利立荷偏载列网阵；（7）引遭入边住界条侮件对筛总刚凯度方心程进渡行处仇理；（8）求解新总刚度魔方程，佛得出各躁节点位浪移值；（9）根申据节堵点位属移计否算杆功件内昏力；（10）按杆毕件内力夏调整杆蒸件截面锻，并重秘新计算启，迭代赌次数宜惨不超过4～5次。2.5网架杆加件设计截面钢管、弊热轧型故钢和冷秆弯薄壁肿型钢计算长云度（l为杆件业几何长名度）容许慈长细井比（1）受袭压杆粉件：[]=雕18味0（2）受拉愚杆件：丢一般杆美件[]=4农00，支座剥附近处屠杆件[]=牲30亿0，直接斑承受动板力荷载愚杆件[]=2唇50。网架节首点型式途主要有阻：（1）按节艳点在网尺架中的置位置可例分为：衔中间节贵点和支佣座节点阀。（2）按节缠点的连抖接方式肺可分为谣：焊接收连接节何点、高誉强螺栓怖连接节驱点、焊技接和高郑强螺栓良混合连它接节点扑。（3）按狼节点却的构鼓造形仆式可撞分为诸：焊接筑空心算球节胀点；谎螺栓紫球节烫点；咐焊接掏钢板欣节点涛；焊窑接钢拘管节腥点；肢杆件趣直接罩汇交冷节点。我国凝常用锈的是原钢板替节点床、焊船接空轻心球知节点动、螺颤栓球脸节点缺。2.银6节点致设计焊接倾空心筒球节唤点螺栓球克节点焊接钢赵板节点焊接腰钢管蓝节点杆件演直接奥汇交茶节点网架的慕节点构忆造应满禁足下列铅要求受力途合理咬，传纲力明无确；保证研杆件辛汇交帅于一拒点，聋不产旧生附比加弯颠矩；构造简图单，制躁作安装拨方便，羡耗钢量末小；避免难迹于检查课、清刷病、涂漆嗓和容易柴积留湿勤气或灰巾尘的死呀角或凹申槽，管单形截面升应在两岛端封闭块。焊接空养心球节领点是用幼两块圆猫钢板（薪钢号Q2招35钢或Q34冲5钢）经贷热压或铃冷压成箭两个半醒球后对肌焊而成支的。钢抓球外径枕一般为160躺㎜～500款㎜。分加鉴肋与不免加肋两菌种（图庄），当涝焊接空扒心球的菜直径大蔽于30抹0，且训杆件竿内力姓较大阶时，兴采用脂加肋移球。肥肋板角厚度潜不应君小于载球壁育等厚幸。焊接水空心斥球的瘦优点围是传凝力明佣确，重构造犁简单越，造继型美栏观，皮连接补方便掉，适殖应性木强。1.焊接足空心肯球节艰点焊接渠空心电球直伪径：D＝（d1＋2a＋d2）/θ空心蝴球节忘点杆峰件间虏缝隙焊接空示心球节睁点构造受压空少心球承艰载力设播计值：受拉空乎心球承展载力设银计值：焊缝可冶按对接辩焊缝计链算，质咸量应达夸到Ⅱ级要求膝：否则拥只能作市为斜角议角焊缝叔按下式志计算：螺栓球纹节点由弱钢球、辱高强螺筋栓、紧收固螺栓壮、套筒墨、锥头蜂或封板票等零件民组成，嘉适合于昏连接圆违钢管杆厅件。螺栓纪球节帖点的由优点浮是节第点小速，重立量轻被，节祸点用悼钢量尺约占改网架包用钢洗量的10％。蝴可用魂于任惭何形龙式的借网架欠，特鲁别适哈合于塔四角疫锥、芝三角虫锥体始系的吩网架破。这守种节答点安绩装极德为方殖便，思可拆晨卸，赛安装痛质量系宜达否到保愉证。重可以龙根据胸具体赤情况删采用有散装内、分们条拼叉装和右整体斯拼装然等安轮装方鸦法。营螺栓足球节芝点的团缺点困是，仪球体宾加工薯复杂仁，零浴部件盈多，映加工胡精度魄高；乱价格碧贵；愿所需喊钢号所不一扶，工范序复注杂。2.螺栓手球节寨点螺栓球产连接节两点图示钢球尺国寸螺栓栗不碰炎要求稍：套筒缠接触扔面要杏求：钢球爪直径灾取式基以上只两式混的较蒜大值便。当相见邻两董杆夹槽角θ＜30栽°时，还刃要保证服相邻两禁根杆件圣（管端椅为封板斗）不相消碰要求：螺栓隔尺寸当杆件病管径较味大时采理用锥头你连接。运管径较捎小时采免用封板范连接。以连接焊王缝以及纺锥头的圆任何截蓄面应与宾连接钢雁管等强崇。杆件端经部连接他焊缝锥头和猎封板套筒通沉常开有蜂纵向滑所槽(图)，滑槽辱宽度一拼般比销盏钉直径疑大1.竞5-潜2m匆m。套筒肠应进行能承压验话算：套筒得端部刃到开协槽端仙部(或钉孔坐端)距离应糖使该处守有效截五面抗剪锁力不低割于销钉(或螺钉)抗剪力堆，且不倚小于1.锣5倍开浓槽的霜宽度薄或6mm。套犬筒端抄部要摧保持倘平整煮，内汪孔L径可比皂螺栓直戴径大1m位m。套筒几阳何尺寸3.焊接钢膀板节点钢板节绢点的构充造及设艰计钢板节提点的节买点板及压盖板所止采用的臣钢材应镇与网架专杆件一图致。钢卸板节点尊的构造业及设计宫要点如域下：（1）杆件霞重心线吹在节点达处宜交罗与一点汁，否则遍应考虑亭其偏心雕影响（2）杆惭件与晓节点奸连接库焊缝娱的分架布，巧应使勇焊缝坛截面急的重仙心与武杆件爷重心唱重合坦，否设则应尊考虑慰其偏赠心影兆响；（3）便拐于制默作和练拼装遇。网顷架弦蚂杆应格与盖馅板和别节点苹板共菠同连魄接，亚当网娱架跨揪度较她小时烛，弦已杆也注可只何与节包点板牛连接具；（4）节点浩板厚度务的选择乱与平面票桁架的客方法相容同，应引根据网齿架最大辛杆件内松力确定钞。节点懂板厚度柏应比连库接杆件庭的厚度锡大2㎜，且不廉得小于6㎜。节衔点板厦的平拾面尺母寸应万适当歉考虑骡制作栗和装假配的美误差鬼。（5）当网娃架杆貌件和赛节点虫板间按采用址高强针螺栓弹或角疼焊缝过连接堡时，