鋼結構設計之平板網架結構設計

第五章平板網架結構構設計10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系內容提要5.1網架結構的特特點5.2網架結構的型型式及選型5.3網架結構的幾幾何尺寸及屋屋面做法5.4網架結構的計計算5.5網架結構的桿桿件和節(jié)點設設計5.6空間結構簡介介10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系第五章平平板網架結構構設計5.1網架結構的特特點10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.1網架結結構的的特點…1空間網網架及及網殼殼是一一種空空間網網格結結構，，它以以大致致相同同的格格子或或尺寸寸較小小的單單元重重復組組成，，實質為為一種種空間間受力力的桁桁架結結構，，與平平面結結構比比較，，由于于在荷荷載作作用下下三向向受力力，避避免了了在平平面結結構中中的層層層傳傳力現現象，，且結結構的的剛度度也較較平面面結構構大。?？臻g結結構中中以網網架和和網殼殼結構構應用用最廣廣，分分為：：平板網網架——平板型型的空空間網網格結結構；；網殼——曲面型型的空空間網網格結結構。。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.1網架結結構的的特點…2網架及及網殼殼結構構的特特點（1）三維維受力力、能能承受受來至至各個個方向向的荷荷載；；（2）網架架結構構系高高次超超靜定定結構構，整整體性性及穩(wěn)穩(wěn)定性性好、空空間剛剛度大大；（3）體系系穩(wěn)定定、抗抗震性性能好好，在在7度及7度以下下地區(qū)區(qū)可不進進行抗抗震驗驗算；；（4）結構構高度度?。ǎs是是平面面桁架架高度度的2/3)、自重重輕、節(jié)節(jié)約鋼鋼材；；（5）桿件件及配配套零零件規(guī)規(guī)格化化、便便于工工業(yè)化化生產產，但但制造造精度度要求求高；；（6）適應應性強強、平平面布布置靈靈活。。10/27/2022昆明理工大大學建建工學院土土木系系第五章平平板網架架結構設計計5.2網架結構的的形式與設設計特點10/27/2022昆明理工大大學建建工學院土土木系系5.2網架結構的的形式與設設計特點…1平板網架無無論在設計計、計算、、構造還是是施工制作作等方面均均較為簡便便，可適用用于大、中中、小各種種跨度的屋屋蓋結構體體系。網架結構的的形式較多多。按結構構組成，通通常分為雙雙層或三層層網架；按按支承情況況分，有周周邊支承、、點支承、、周邊支承承與點支承承混合、三三邊支承一一邊開口等等形式；按按網架組成成情況，可可分為由兩兩向或三向向平面桁架架組成的交交叉桁架體體系、由三三角錐體或或四角錐體體組成的空空間桁架角角錐體系等等等。網架結構的的形式10/27/2022昆明理工大大學建建工學院土土木系系5.2網架結構的的形式與設設計特點…2

按支承情況分類

（1）周邊支承網架

網架的所有節(jié)點均擱置在柱或梁上，因傳力直接、受力均勻，是采用較多的一種形式。當網架周邊支承于柱頂時，網格寬度可與柱距一致。網架周邊支承于圈梁時，網格的劃分比較靈活，可不受柱距的約束。

10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…3（2）點支承網網架點支承網網架可置置于四個個或多個個支承上上。a圖稱為四四點支承承網架，，b圖稱為多多點支承承網架。（a）（b）10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…4點支承網網架主要要用于大大柱距工工業(yè)廠房房、倉庫庫以及展展覽廳等等大型公公共建筑筑。由于于支承點點較少，，支點反反力較大大。為了了使通過過支點的的主桁架架及支點點附近的的桿件內內力不致致過大，，宜在支支承點處處設置柱柱帽以擴擴散反力力。點支支承網架架周邊應應有適當當懸挑以以減少網網架跨中中撓度與與桿件的的內力。。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…5(3)周邊支承承與點支支承混合合網架在點支承承網架中中，當周邊設設有維護護結構和抗風柱柱時，可可采用周邊支承承與點支支承混合的形式式。這種種支承方式適用用于工業(yè)業(yè)廠房和展覽廳廳等公共共建筑。。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…6(4)三邊支支承或或兩邊邊支承承網架架由于建建筑功功能的的要求求，需需要在在一邊邊或兩兩對邊邊上開開口，，因而而使網網架僅僅在三三邊或或兩對對邊上上支承承，另另一邊邊或兩兩對邊邊處理理成自自由邊邊。自自由邊邊的存存在對對網架架的受受力是是不利利的,為此一一般應應對自自由邊邊作出出特殊殊處理理。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…7普遍的的做法法是，，在自自由邊邊附近近增加加網架架的層層數（（見a圖），，或者者在自自由邊邊加設設托梁梁、托托架（（見圖圖b）。對中、、小型型網架架亦可可選擇擇增加加網架架高度度或局局部加加大桿桿件截截面等等方法法。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…8按網格組成分分類1交叉桁架體系系這類網架由若若干平面桁架相互交交叉組成。豎向平面桁架架的形式與一般平面桁架架相似，根據平面桁架布布置方式及交角的不同，，可分為幾種形式。（1）兩向正交正正放網架10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系兩向正交正放放網架的構成成特點是：兩兩個方向的平平面桁架垂直直交叉，且分分別與邊界方方向平行。這這種網架的上上、下弦平面面呈正方形，，基本單元為為六面體，屬屬幾何可變。。為保證結構構的幾何不變變性以及增加加空間剛度，，應適當設置置水平支撐，，以有效傳遞水平力。。對周邊支承承網架，水平支撐宜在在上弦或下弦弦網格內沿周邊設置置；對點支承承網架，水平支撐則應應在通過支承承點的主桁架附近設設置。5.2網架結構的形形式與設計特特點…910/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…10兩向正交正放放網架的受力力狀況取決于于平面尺寸及及支承情況。。對于周邊支支承、正方形形平面的網架架，其受力類類似于雙向板板。兩向正交正放放網架沿兩個個方向的桿件件內力差別不不大，受力比比較均勻。但但隨著邊長比比的變化，單單向傳力作用用漸趨明顯，，兩方向桿件件內力差別也也隨之加大。。對于點支承承網架，支承承附近的桿件件及主桁架跨跨中弦桿的內內力最大，其其它部位桿件件的內力很小小。兩向正交正放放網架適用于于正方形或接接近正方形以以及狹長矩形形的建筑平面面。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…11（2）兩向正正交斜放放網架兩向正交交斜放網網架的構構成特點點是：兩兩個方向向的豎向向平面桁桁架垂直直交叉，，且與邊邊界成45°夾角。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…12兩向正交交斜放網網架中平平面桁架架與邊界界斜交，，各片桁桁架長短短不一，，靠近角角部的短短桁架相相對剛度度較大，，對與其其垂直的的長桁架架有一定定的彈性性支承作作用，從從而減小小了長桁桁架中部部的正彎彎矩。在在周邊支支承情況況下，它它較兩向向正交正正放網架架剛度大大、用料料省。對對矩形平平面其受受力也較較均勻。。當長桁桁架直通通角柱時時，四個角支支座會產產生較大大向上拉拉力，設設計中應應予注意意。如采采用圖b所示布置置方式，，拉力可可由兩榀榀桁架承承受。適用于正正方形和和長方形形的建筑筑平面。。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…13（3）三向網架架三向網網架的的構成成特點點是：：三個個方向向的豎豎向平平面桁架互互成60°°角斜向向交叉。在在三向向網架架中，，上、、下弦平平面的的網格格均為為正三角形形，因因此這這種網網架是以若若干穩(wěn)穩(wěn)定的的三棱棱體作為基基本單單元所所組成成的幾何不不變體體系。。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…142四角錐錐體系系這類網網架以以四角角錐為為其組組成單單元。。網架架的上上、下下弦平面面均為為正方方形網網格，，上、下下弦網網格相相互錯錯開半格格使下下弦平平面正正方形的的四個個頂點點對應應于上弦弦平面面正方方形的的形心，，并以以腹桿桿連接接，即形成成若干干四角角錐體體。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…15正放四四角錐錐網架架正放四四角錐錐網架架的構成成特點點是：：以倒倒四角錐錐體為為組成成單元元，上、下下弦桿桿均與與相應應邊界平平行。。正放放四角角錐網架架的上上、下下弦節(jié)節(jié)點均分分別連連接八八根桿桿件。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…16正放四四角錐錐網架架的桿桿件受受力比比較均均勻，，空間間剛度度較其其它類類型四四角錐錐網架架及兩兩向網網架為為好。。當采采用鋼鋼筋混混凝土土板作作屋面面板時時，板板的規(guī)規(guī)格單單一，，便于于起拱拱，屋屋面排排水相相對容容易處處理。。但因因桿件件數目目較多多其用用鋼量量可能能略高高些。。正放四四角錐錐網架架一般般適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邊支支承、、點支支承（（有柱柱帽或或無柱柱帽））大柱柱距、、以及及設有有懸掛掛吊車車的工工業(yè)廠廠房與與有較較大屋屋面荷荷載的的情況況。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…17正放抽空空四角錐錐網架構成特點點：在正正放四角錐網架架的基礎礎上，除除周邊網格不不動外，，適當抽抽掉一些四角角錐單元元中的腹腹桿和下弦桿桿，使下下弦網格格尺寸比上弦弦網格尺尺寸大一一倍。其受力與與正交正正放交叉叉梁系相似。。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…18正放抽空空四角錐錐網架的的桿件數數目較少少，構造造簡單，，經濟效效果好，，起拱比比較方便便。不過過抽空以以后，下下弦桿內內力的均均勻性較較差，剛剛度比未未抽空的的正放四四角錐網網架小些些，但能能夠滿足足工程要要求。正放抽空空四角錐錐網架適適用于中中、小跨跨度或屋屋面荷載載較輕的的周邊支支承、點點支承以以及周邊邊支承與與點支承承混合等等情況。。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…19斜放四角角錐網架架斜放四角角錐網架架的構成特特點：以以倒四角錐體為為組成單單元，由錐底構構成的上上弦桿與邊界成成45°夾角，而連接各各錐頂的的下弦桿則與相相應邊界界平行。。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…20斜放四角角錐網架架上弦桿桿長度比比下弦桿桿長度小小，在周周邊支承承的情況況下，通通常是上上弦桿受受壓，下下弦桿受受拉，因因而桿件件受力合合理。此此外，節(jié)節(jié)點處匯匯交的桿桿件（上上弦節(jié)點點六根，，下弦節(jié)節(jié)點八根根）相對對較少，，用鋼量量較省。。周邊支承承的斜放放四角錐錐網架，，在支承承沿周邊邊切向無無約束時時，四角角錐體可可能繞Z軸旋轉而而造成網網架的幾幾何可變變，因此此必須在在網架周周邊布置置剛性邊邊梁；點點支承的的斜放四四角錐網網架，可可在周邊邊設置封封閉的邊邊桁架。。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…213三角錐網網架三角錐網網架的構成特點點是：以以等腰三角錐錐體為組組成單元，由由于三角角形的穩(wěn)定性性，因而而整體抗彎、、抗扭剛剛度好。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…22抽空三角角錐網架架構成特點點是：在在三角錐網網架的基基礎上，除周周邊網格格不動外，適適當抽掉掉一些三角錐錐單元中中的腹桿和下下弦桿。。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…23網架幾何不變變性分析網架結構在外外力作用下必必須是幾何不不變體系，但但是許多形式式的網架就其其結構本身而而言是結構幾幾何可變的，，只有加上適適當的支座約約束后才成為為幾何不變體體系。因此，，對網架的機機動分析非常常重要。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…24網架幾何不變變的必要條件件網架的力學模模型是一個鉸鉸接的空間桿桿系結構，因因為一個剛體體在空間的自自由度為6，一個空間簡簡單鉸的自由由度為3，故網架任一一節(jié)點有3個自由度。對對于具有J個節(jié)點m根桿件的網架架，支承于有有r根連桿的支座座上時，其幾幾何不變的必必要條件可由由下式計算：：m+r-3J0或m3J-r當m=3J-r時為靜定結構，當當m>3J-r時為超靜定結構，m<3J-r時為幾何可變體系系。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…25若將網架作為一個個剛體考慮，，則最少的支支座約束鏈桿桿數為6，即上式中的的r6。如網架不與支支座連接，僅僅考慮網架內內部是否幾何何可變，則由由下式計算：：K=3J-m-6當K=0時，網架桿件件數恰好滿足足其內部幾何何不變的必要要條件；當K<0時，內部有多多余桿件；當當K>0時，內部幾何何可變。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…26網架幾何不變變的充分條件件三角形是幾何何不變的，因因此，以三根根不共面的桿桿件交出一個個新節(jié)點所構構成的網架單單元也為幾何何不變體系。。當網架桿系系組成的形體體是由三角形形界面組成的的多面體時，，亦是幾何不不變的。故對對網架結構幾幾何不變問題題的分析可變變成平面問題題進行。網架幾何可變變單元可通過過加設桿件或或適當加設支支承鏈桿使其其成為幾何不不變體系。用程序計算時時，如出現撓撓度特別大等等不合理情況況，則該網架架有可能為幾幾何可變。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…2710/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…28網架結構的設設計特點（1）網架結構的的選型根據建筑的造造型、平面形形狀和尺寸、、支承情況、、荷載大小、、屋面材料等等綜合考慮。。從材料用量考考慮宜采用：：斜放四角錐正正放四四角錐兩兩向正交正正放三向交叉梁系系以上型式當跨跨度及荷載都都大時較合理理，剛度也比比較大。當平平面為矩形時時兩向正交斜斜放與斜放四四角錐網架最最經濟。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…29從平面形狀和和大小考慮，，當為周邊簡簡支時建議：：①平面為方方形或接近方方形、中小跨跨度（60m)：兩向正交斜放放交叉桁架、、正放四角錐錐、斜放四角角錐②平面為矩矩形：兩向正交斜放放交叉桁架或或斜放四角錐錐③平面為圓圓形、正多邊邊形、扇形：：三向交叉梁系系或三角錐當為四點支承承的連續(xù)網架架：兩向正交正放放或正放四角角錐。10/27/2022昆明理工大學學建工學學院土木木系5.2網架結構的形形式與設計特特點…30（2）網架結構的的網格尺寸和和高度網格大小直接接影響網架的的經濟性，應應綜合考慮。。網架高度應應使腹桿與弦弦桿的夾角在在45左右。網格尺寸影影響因素:網架跨度大大小、柱距距模數、屋屋面板種類類，桿件材材料。網架高度的的影響因素素：網架跨跨度、屋面面荷載、節(jié)節(jié)點形式、、平面形狀狀、支撐條條件。10/27/2022昆明理工大大學建建工學院土土木系系（3）網架結構構的桿件設設計桿件截面：：圓鋼管、、角鋼、方方鋼管、H型鋼等。計算長度：：螺栓球：：1.0l弦桿0.9l焊接球：腹桿0.8l長細比：壓壓桿180拉桿300（支座及附附近）、400（一般）10/27/2022昆明理工大大學建建工學院土土木系系5.2網架結構的的形式與設設計特點…31（4）網架節(jié)點點設計與構構造要點網架桿件通通過節(jié)點（（焊接鋼板板節(jié)點、焊焊接空心球球節(jié)點、螺螺栓球節(jié)點點、焊接短短鋼管節(jié)點點等）把桿桿件聯系在在一起組成成空間形體體。節(jié)點上上匯交的桿桿件數量隨隨網格形式式而不同，，一般812根，至少有有6根。且節(jié)點點的重量一一般為網架架總重量的的20～25%，所占用鋼鋼量的比重重較大，因因節(jié)點破壞壞而造成工工程事故的的例子也不不少，所以以節(jié)點設計計是關鍵。。10/27/2022昆明理工大大學建建工學院土土木系系5.2網架結構的的形式與設設計特點…32①焊接空心球球節(jié)點空心球可分分為不加肋肋和加肋兩兩種，用圓圓板經壓制制成型作成成半球，再再由兩個半半球對焊而而成。這種種節(jié)點適用用于連接鋼鋼管桿件。。節(jié)點構造造是將鋼管管桿件直接接焊接連接接于空心球球體上，具具有自動對對中和‘萬萬向’性質質。10/27/2022昆明理工大大學建建工學院土土木系系5.2網架結構的的形式與設設計特點…33直徑D為120～500mm的焊接空心心球其抗壓壓承載力設設計值Nc可按下式計計算：D─空心球外徑徑（mm）；t──空心球球壁厚厚（mm）；d──鋼管外外徑（（mm）；ηc─受壓空空心球球加肋肋承載載力提提高系系數，，加肋肋ηc=1.4，不加肋肋ηc=1.0。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…34直徑D為120～500mm的焊接接空心心球其其抗拉拉承載載力設設計值值Nt可按下下式計計算：：Nt─受拉空空心球球軸向向拉力力設計計值（（N）；f─鋼管材材料強強度設設計值值（N/mm2）；ηt─受拉空空心球球加肋肋承載載力提提高系系數，，加肋肋ηt=1.1，不加肋肋ηt=1.0。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…35一般空空心球球外徑徑D=（25～45）t；空心球球壁厚厚t與鋼管管最大大壁厚厚的比比值宜宜為1.2～2.0；另外外，空空心球球壁厚厚t不宜小小于4mm。在確定定空心心球外外徑時時，球球面上上網架架相連連接桿桿件與與桿件件之間間的縫縫隙a不宜小小于10mm?？招那蚯蛑睆綇揭部煽沙醪讲桨聪孪率焦拦浪悖海篋=（d1+d2+a）/θθ─匯集于于空心心球節(jié)節(jié)點任任意兩鋼管管桿件件間的的夾角角；d1、d2─組成θ角的鋼鋼管外外徑；10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…36②螺栓球球節(jié)點點由螺栓栓、鋼鋼球、、銷子子（或或止緊緊螺釘釘）、、套筒筒和錐錐頭或或封板板組成成，適適用于于連接接鋼管管桿件件。10/27/2022昆明理理工大大學建建工學學院土土木系系5.2網架結結構的的形式式與設設計特特點…37螺栓球球節(jié)點點的套套筒、、錐頭頭和封封板采采用Q235系列、、Q345系列鋼鋼材；；鋼球采用用45號鋼；；螺栓、、銷子子或止止緊螺釘釘采用用高強強度鋼材材如45號鋼、、40B鋼、40Cr鋼、20MnTiB鋼等。。10/27/2022昆明理工工大學建建工工學院土土木木系5.2網架結構構的形式式與設計計特點…38螺栓直徑徑一般由由網架中中最大受受拉桿件件的內力力控制，，一個螺螺栓受拉拉承載力力設計值值按下式式計算：：Ntb≤ψAeftbNtb─高強度螺螺栓的拉拉力設計計值（N）；ψ─