空間鋼結(jié)構(gòu)的概念與應(yīng)用

第二章空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2.1網(wǎng)架的形式由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過(guò)節(jié)點(diǎn)連結(jié)而成的平板空間結(jié)構(gòu)。具有空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)廣泛用作體育館、展覽館、俱樂(lè)部、影劇院、食堂、會(huì)議室、候車廳、飛機(jī)庫(kù)、車間等的屋蓋結(jié)構(gòu)。具有工業(yè)化程度高、自重輕、穩(wěn)定性好、外形美觀的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是匯交于節(jié)點(diǎn)上的桿件數(shù)量較多，制作安裝較平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。1.網(wǎng)架按弦桿層的形式按弦桿層數(shù)不同可分為雙層網(wǎng)架和三層網(wǎng)架2.雙層網(wǎng)架的常用形式

（1）平面桁架系網(wǎng)架兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交斜放、斜交斜放網(wǎng)架三向網(wǎng)架特點(diǎn)：由平面桁架相互交叉所組成，其上、下弦桿長(zhǎng)度相等，桿件類型少，且上、下弦桿和腹桿在同一平面內(nèi)。一般應(yīng)使斜腹桿受拉，豎桿受壓。斜腹桿與弦桿間的夾角宜在40°～60°之間。

兩向正交正放網(wǎng)架

由兩組分別與邊界平行的平面桁架互成90°交叉組成。同一方向的各平面桁架長(zhǎng)度一致。

網(wǎng)架本身屬幾何可變體系。適用于建筑平面為正方形或接近正方形且跨度較小的情況。兩個(gè)方向的桿件內(nèi)力差別不大，受力較均勻。

兩向正交斜放網(wǎng)架

短桁架對(duì)長(zhǎng)桁架有嵌固作用，受力有利。角部產(chǎn)生拔力，常取無(wú)角部形式。比正交正放網(wǎng)架空間剛度大，受力均勻，用鋼省。適用于建筑平面為矩形的情況。三向網(wǎng)架

特點(diǎn)：幾何不變體系，網(wǎng)架空間剛度大，受力性能好，內(nèi)力分布也較均勻。桿件數(shù)量多，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較復(fù)雜。三向網(wǎng)架適用于大跨度且建筑平面為三角形、六邊形、多邊形和圓形的情況。

（2）四角錐體系網(wǎng)架

正放四角錐網(wǎng)架正放抽空四角錐網(wǎng)架棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架斜放四角錐網(wǎng)架星形四角錐網(wǎng)架正放四角錐網(wǎng)架正放抽空四角錐網(wǎng)架

桿件受力較均勻，空間剛度比其它類型的四角錐網(wǎng)架及兩向網(wǎng)架好。適用于建筑平面接近正方形的周邊支承及點(diǎn)支承情況。

周邊網(wǎng)格錐體不動(dòng)外，跳格地抽掉一些四角錐單元中的腹桿和下弦桿，使下弦網(wǎng)格尺寸擴(kuò)大一倍。適用于中、小跨度或屋面荷載較輕的周邊支承、點(diǎn)支承以及周邊支承與點(diǎn)支承結(jié)合的網(wǎng)架。

棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架

正放四角錐網(wǎng)架周邊四角錐不變，中間四角錐間隔抽空，下弦桿呈正交斜放，上弦桿呈正交正放。上弦桿比下弦桿短，受力合理?？朔诵狈潘慕清F網(wǎng)架屋面板類型多，屋面組織排水較困難的缺點(diǎn)。適用于中、小跨度周邊支承方形或接近方形平面的網(wǎng)架。

斜放四角錐網(wǎng)架上弦桿比下弦桿短，受力合理。桿件數(shù)量少，屋面板類型多，屋面組織排水較困難。適用于中、小跨度周邊支承，或周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合的矩形平面情況。

星形四角錐錐網(wǎng)架由兩個(gè)倒置置的三角形形小桁架相相互正交單單元組成。。適用于中中、小跨度度周邊支承承方形或接接近方形平平面的網(wǎng)架架。（3）三角錐體體系網(wǎng)架三角錐網(wǎng)架架抽空三角錐錐網(wǎng)架蜂窩形三角角錐網(wǎng)架三角錐網(wǎng)架架上、下弦平平面均為三三角形網(wǎng)格格。桿件受受力均勻，，本身為幾幾何不變體體，整體抗抗扭、抗彎彎剛度好。。適用于大大中跨度及及重屋蓋建建筑物，當(dāng)當(dāng)建筑平面面為三角形形、六邊形形和圓形時(shí)時(shí)最為適宜宜。抽空三角錐錐網(wǎng)架抽去部分三三角錐單元元的腹桿和和下弦桿。。下弦桿內(nèi)內(nèi)力較大，，用鋼量省省，但空間間剛度較三三角錐網(wǎng)架架小。適用用于中、小小跨度的三三角形、六六邊形和圓圓形等平面面的建筑。。蜂窩形三角角錐網(wǎng)架上弦為正三三角形和正正六邊形網(wǎng)網(wǎng)格，下弦弦為正六邊邊形網(wǎng)格。。本身幾何何可變。其其上弦桿短短，下弦桿桿長(zhǎng)，受力力合理。適適用于中、、小跨度周周邊支承的的情況，可可用于六邊邊形、圓形形或矩形平平面。2.2網(wǎng)架選型根據(jù)建筑平面形狀和跨度大小，支承方式、、荷載大小、屋面構(gòu)造和材料、制作安裝方方法等因素?！毒W(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)與施工工規(guī)程》JGJ7-91大跨度為60m以上中跨度為30～60m小跨度為30m以下1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的的支承及其其選型支承方式:周邊支承點(diǎn)支承周邊支承與與點(diǎn)支承相相結(jié)合兩邊和三邊邊支承等。。周邊支承點(diǎn)支承點(diǎn)支承網(wǎng)架架受力與鋼鋼筋混凝土土無(wú)梁樓蓋蓋相似。為減小跨中中正彎矩及及撓度，設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡盡量帶有懸懸挑，多點(diǎn)點(diǎn)支承網(wǎng)架架的懸挑長(zhǎng)長(zhǎng)度可取跨跨度的1／4～1／3。周邊支承與與點(diǎn)支承結(jié)結(jié)合各種柱帽形形式點(diǎn)支承網(wǎng)架架與柱子相相連宜設(shè)柱柱帽以減小小沖剪作用用。柱帽可設(shè)置置于下弦平平面之下(圖a)，也可設(shè)置置于上弦平平面之上(圖b)。當(dāng)柱子直接接支承上弦弦節(jié)點(diǎn)時(shí)，，也可在網(wǎng)網(wǎng)架內(nèi)設(shè)置置傘形柱帽帽(圖c)，這種柱帽帽承載力較較低，適用用于中小跨跨度網(wǎng)架。。2網(wǎng)架高度及及網(wǎng)格尺寸寸網(wǎng)架的高度度與屋面荷荷載、跨度度、平面形形狀、支承承條件、設(shè)備管道等等因素有關(guān)關(guān)。3網(wǎng)架的撓度度要求及屋屋面排水坡坡度容許撓度：：用作屋蓋—L2/250，用作樓蓋—L2/300排水坡度：：3%～5%起拱要求：：L2/3002.3網(wǎng)架的計(jì)算算要點(diǎn)1.直接作用（（荷載）和和間接作用用對(duì)使用階段段荷載作用下的內(nèi)力和位移移進(jìn)行計(jì)算，，并應(yīng)根據(jù)據(jù)具體情況況對(duì)地震作用、、溫度變化化、支座沉沉降等間接作用用及施工安裝荷荷載引起的內(nèi)力力和位移進(jìn)進(jìn)行計(jì)算。。（1）永久荷載載：①網(wǎng)架自重；；②屋面（或樓樓面）材料料重力；③吊頂材料的的重力；④設(shè)備管道的的重力。雙層網(wǎng)架自自重gok（kN/m2）式中，gok——網(wǎng)架自重（（kN/m2）；L2——網(wǎng)架的短向向跨度（m）；qw——除網(wǎng)架自重重外的屋面面荷載或樓樓面荷載的的標(biāo)準(zhǔn)值（（kN/m2）；ξ——系數(shù)。對(duì)桿桿件采用鋼鋼管的網(wǎng)架架取ξ=1.0；采采用型型鋼的網(wǎng)架架取ξ=1.2。（2）可變荷載載：活荷載、雪雪荷載、積積灰荷載、、風(fēng)荷載及及吊車荷載載（3）抗震驗(yàn)算算：豎向抗震驗(yàn)驗(yàn)算設(shè)防烈度為為8度或9度的地區(qū)，，周邊支承及及多點(diǎn)支承承和周邊支支承相結(jié)合合的網(wǎng)架v為豎向地震震作用系數(shù)數(shù)。懸挑長(zhǎng)度較較大的網(wǎng)架屋蓋蓋結(jié)構(gòu)以及及用于樓層的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)，當(dāng)設(shè)防烈度度為8度或9度時(shí)，其豎豎向地震作作用標(biāo)準(zhǔn)值值可分別取取該結(jié)構(gòu)重力荷載代代表值的10%或20%。設(shè)計(jì)基本本地震加速速度為0.3g時(shí)，可取該該結(jié)構(gòu)重力力荷載代表表值的15%。計(jì)算重力力荷載代表表值時(shí)，永久荷載取取100%，雪荷載和和屋面積灰灰荷載取50%，不計(jì)屋面面活荷載。。水平抗震驗(yàn)驗(yàn)算在抗震設(shè)防防烈度為8度的地區(qū)，，對(duì)于周邊邊支承的中中小跨度網(wǎng)網(wǎng)架可不進(jìn)進(jìn)行水平抗抗震驗(yàn)算；；在抗震設(shè)設(shè)防烈度為為9度的地區(qū)，，對(duì)各種網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均均應(yīng)進(jìn)行水水平抗震驗(yàn)驗(yàn)算。（4）溫度內(nèi)力力：不計(jì)算的條條件①支座節(jié)點(diǎn)的的構(gòu)造允許許網(wǎng)架側(cè)移移，且側(cè)移移值不小于于下式的計(jì)計(jì)算值（例例如板式橡橡膠支座））；②周邊支承的的網(wǎng)架，當(dāng)當(dāng)網(wǎng)架驗(yàn)算算方向跨度度小于40m，且支承結(jié)構(gòu)構(gòu)為獨(dú)立柱柱或磚壁柱柱；③在單位力作作用下，柱柱頂位移大大于或等于于下式的計(jì)計(jì)算值需要計(jì)算時(shí)時(shí)，采用空間桁桁架位移法法，或近似似計(jì)算方法法。（5）荷載及荷荷載效應(yīng)組組合對(duì)非抗震設(shè)設(shè)計(jì)，《建筑結(jié)構(gòu)荷荷載規(guī)范》GB50009；對(duì)抗震設(shè)計(jì)計(jì)，《建筑抗震設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB500112.網(wǎng)架內(nèi)力分分析方法按彈性階段段計(jì)算（1）空間桁架架位移法（（空間桿系系有限元法法）（2）交叉梁系系差分法是是一種簡(jiǎn)化化計(jì)算方法法（3）擬夾層板板法是又一一種簡(jiǎn)化計(jì)計(jì)算方法（4）假想彎矩矩法也屬簡(jiǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算方方法2.4空間桿系有有限元法以網(wǎng)架的桿件為基本單元元，以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知知量。先由由桿件內(nèi)力力與節(jié)點(diǎn)位位移之間的的關(guān)系建立立單元?jiǎng)偠榷染仃嚕蝗缓蟾鶕?jù)各各節(jié)點(diǎn)平衡衡及變形協(xié)協(xié)調(diào)條件建建立結(jié)構(gòu)的的節(jié)點(diǎn)荷載載和節(jié)點(diǎn)位位移間關(guān)系系，形成結(jié)結(jié)構(gòu)總剛度度矩陣和總總剛度方程程?？倓偠榷确匠淌且砸怨?jié)點(diǎn)位移移為未知量量的線性方方程組。引引入邊界條條件后，求求解出各節(jié)節(jié)點(diǎn)位移值值。最后由由桿件單元元內(nèi)力與節(jié)節(jié)點(diǎn)位移間間關(guān)系求出出桿件內(nèi)力力。1.基本假定（1）網(wǎng)架的節(jié)節(jié)點(diǎn)為空間間鉸接節(jié)點(diǎn)點(diǎn)，桿件只只承受軸力力；（2）結(jié)構(gòu)材料料為完全彈彈性，在荷荷載作用下下網(wǎng)架變形形很小，符符合小變形形理論。2.空間桿系有有限元法要要點(diǎn)（1）單元?jiǎng)偠染鼐仃嚳臻g桿系有限單元：：每個(gè)桿件共共有6個(gè)自由度：：對(duì)應(yīng)6個(gè)桿端力：：它們之間的的關(guān)系是式中即單元?jiǎng)偠榷染仃嚒：秃徒Y(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)的矩陣位位移法一致致，只是相應(yīng)于剪剪力的各項(xiàng)項(xiàng)均為零。。（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換桿單元在整整體坐標(biāo)系系中的位置置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩矩陣[T]為：（3）結(jié)構(gòu)總剛度度矩陣及總總剛度方程程（4）結(jié)構(gòu)總剛矩矩陣中邊界界條件的處處理方法位移為零：：劃行劃列列法和乘大大數(shù)法。彈性約束：：將彈簧剛剛度K0疊加到總剛剛矩陣中對(duì)對(duì)應(yīng)的主對(duì)對(duì)角元上。。指定位移：：主對(duì)角元元和右端項(xiàng)項(xiàng)乘以大數(shù)數(shù)R（5）網(wǎng)架的邊界界條件及對(duì)對(duì)稱性利用用當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)（包括支支座）和外外荷載有n個(gè)對(duì)稱面時(shí)時(shí)，可利用用對(duì)稱條件件只分析網(wǎng)網(wǎng)架的1/(2n)。對(duì)稱面內(nèi)各各桿件的截截面積應(yīng)取取原截面面面積的一半半，n個(gè)對(duì)稱面交交線上的中中心豎桿，，其截面面面積應(yīng)取原原截面面積積的1/(2n)。在對(duì)稱荷載載作用下，，對(duì)稱面內(nèi)內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的反對(duì)稱稱位移為零零；在反對(duì)對(duì)稱荷載作作用下，對(duì)對(duì)稱面內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的的對(duì)稱位移移應(yīng)取為零零。（6）斜邊界處理理根據(jù)邊界點(diǎn)點(diǎn)的位移情情況設(shè)置具具有一定截截面積的附附加桿對(duì)斜邊界上上的節(jié)點(diǎn)位位移做坐標(biāo)標(biāo)變換（7）桿件內(nèi)力展開(kāi)為：3.空間桿系有有限元法計(jì)計(jì)算步驟（1）計(jì)算簡(jiǎn)圖圖，對(duì)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)和桿件進(jìn)進(jìn)行編號(hào)；；（2）計(jì)算桿件件單元長(zhǎng)度度及桿件與與整體坐標(biāo)標(biāo)軸夾角余余弦；（3）初選各桿桿的截面積積；（4）建立局部部和整體坐坐標(biāo)系下的的單元?jiǎng)偠榷染仃?；?）集合總剛剛矩陣；（6）建立荷載載列陣；（7）引入邊界界條件對(duì)總總剛度方程程進(jìn)行處理理；（8）求解總剛剛度方程，，得出各節(jié)節(jié)點(diǎn)位移值值；（9）根據(jù)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位移計(jì)算算桿件內(nèi)力力；（10）按桿件內(nèi)內(nèi)力調(diào)整桿桿件截面，，并重新計(jì)計(jì)算，迭代代次數(shù)宜不不超過(guò)4～5次。2.5網(wǎng)架桿件設(shè)設(shè)計(jì)截面鋼管、熱軋軋型鋼和冷冷彎薄壁型型鋼計(jì)算長(zhǎng)度（l為桿件幾何何長(zhǎng)度）容許長(zhǎng)細(xì)比比（1）受壓桿件件：[]=180（2）受拉桿件件：一般桿桿件[]=400，支座附近近處桿件[]=300，直接承受受動(dòng)力荷載載桿件[]=250。網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)型型式主要有有：（1）按節(jié)點(diǎn)在在網(wǎng)架中的的位置可分分為：中間間節(jié)點(diǎn)和支支座節(jié)點(diǎn)。。（2）按節(jié)點(diǎn)的的連接方式式可分為：：焊接連接接節(jié)點(diǎn)、高高強(qiáng)螺栓連連接節(jié)點(diǎn)、、焊接和高高強(qiáng)螺栓混混合連接節(jié)節(jié)點(diǎn)。（3）按節(jié)點(diǎn)的的構(gòu)造形式式可分為：：焊接空心球球節(jié)點(diǎn)；螺螺栓球節(jié)點(diǎn)點(diǎn)；焊接鋼鋼板節(jié)點(diǎn)；；焊接鋼管管節(jié)點(diǎn)；桿桿件直接匯匯交節(jié)點(diǎn)。我國(guó)常用的的是鋼板節(jié)節(jié)點(diǎn)、焊接接空心球節(jié)節(jié)點(diǎn)、螺栓栓球節(jié)點(diǎn)。。2.6節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)焊接空心球球節(jié)點(diǎn)螺栓球節(jié)點(diǎn)點(diǎn)焊接鋼板節(jié)節(jié)點(diǎn)焊接鋼管節(jié)節(jié)點(diǎn)桿件直接匯匯交節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)滿滿足下列要要求受力合理，，傳力明確確；保證桿件匯匯交于一點(diǎn)點(diǎn)，不產(chǎn)生生附加彎矩矩；構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作作安裝方便，耗耗鋼量??；避免難于檢查、、清刷、涂漆和和容易積留濕氣氣或灰塵的死角角或凹槽，管形形截面應(yīng)在兩端端封閉。焊接空心球節(jié)點(diǎn)點(diǎn)是用兩塊圓鋼鋼板（鋼號(hào)Q235鋼或Q345鋼）經(jīng)熱壓或冷冷壓成兩個(gè)半球球后對(duì)焊而成的的。鋼球外徑一一般為160㎜～500㎜。分加肋與不加加肋兩種（圖）），當(dāng)焊接空心心球的直徑大于于300，且桿件內(nèi)力較較大時(shí)，采用加加肋球。肋板厚厚度不應(yīng)小于球球壁等厚。焊接空心球的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是傳力明確確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，，造型美觀，連連接方便，適應(yīng)應(yīng)性強(qiáng)。1.焊接空心球節(jié)點(diǎn)點(diǎn)焊接空心球直徑徑：D＝（d1＋2a＋d2）/θ空心球節(jié)點(diǎn)桿件件間縫隙焊接空心球節(jié)點(diǎn)點(diǎn)構(gòu)造受壓空心球承載載力設(shè)計(jì)值：受拉空心球承載載力設(shè)計(jì)值：焊縫可按對(duì)接焊焊縫計(jì)算，質(zhì)量量應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)要求：否則只只能作為斜角角角焊縫按下式計(jì)計(jì)算：螺栓球節(jié)點(diǎn)由鋼鋼球、高強(qiáng)螺栓栓、緊固螺栓、、套筒、錐頭或或封板等零件組組成，適合于連連接圓鋼管桿件件。螺栓球節(jié)點(diǎn)的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)小，，重量輕，節(jié)點(diǎn)點(diǎn)用鋼量約占網(wǎng)網(wǎng)架用鋼量的10％?？捎糜谌魏魏涡问降木W(wǎng)架，，特別適合于四四角錐、三角錐錐體系的網(wǎng)架。。這種節(jié)點(diǎn)安裝裝極為方便，可可拆卸，安裝質(zhì)質(zhì)量宜達(dá)到保證證。可以根據(jù)具具體情況采用散散裝、分條拼裝裝和整體拼裝等等安裝方法。螺螺栓球節(jié)點(diǎn)的缺缺點(diǎn)是，球體加加工復(fù)雜，零部部件多，加工精精度高；價(jià)格貴貴；所需鋼號(hào)不不一，工序復(fù)雜雜。2.螺栓球節(jié)點(diǎn)螺栓球連接節(jié)點(diǎn)點(diǎn)圖示鋼球尺寸螺栓不碰要求：：套筒接觸面要求求：鋼球直徑取式以以上兩式的較大大值。當(dāng)相鄰兩桿夾角角θ＜30°時(shí)，還要保證相相鄰兩根桿件（（管端為封板））不相碰要求：螺栓尺寸當(dāng)桿件管徑較大大時(shí)采用錐頭連連接。管徑較小小時(shí)采用封板連連接。連接焊縫縫以及錐頭的任任何截面應(yīng)與連連接鋼管等強(qiáng)。。桿件端部連接焊焊縫錐頭和封板套筒通常開(kāi)有縱縱向滑槽(圖)，滑槽寬度一般般比銷釘直徑大大1.5-2mm。套筒應(yīng)進(jìn)行承承壓驗(yàn)算：套筒端部到開(kāi)槽槽端部(或釘孔端)距離應(yīng)使該處有有效截面抗剪力力不低于銷釘(或螺釘)抗剪力，且不小小于1.5倍開(kāi)槽的寬度或或6mm。套筒端部要保保持平整，內(nèi)孔孔L徑可比螺栓直徑徑大1mm。套筒幾何尺寸3.焊接鋼板節(jié)點(diǎn)鋼板節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造造及設(shè)計(jì)鋼板節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)板及蓋板所采采用的鋼材應(yīng)與與網(wǎng)架桿件一致致。鋼板節(jié)點(diǎn)的的構(gòu)造及設(shè)計(jì)要要點(diǎn)如下：（1）桿件重心線在在節(jié)點(diǎn)處宜交與與一點(diǎn)，否則應(yīng)應(yīng)考慮其偏心影影響（2）桿件與節(jié)點(diǎn)連連接焊縫的分布布，應(yīng)使焊縫截截面的重心與桿桿件重心重合，，否則應(yīng)考慮其其偏心影響；（3）便于制作和拼拼裝。網(wǎng)架弦桿桿應(yīng)與蓋板和節(jié)節(jié)點(diǎn)板共同連接接，當(dāng)網(wǎng)架跨度度較小時(shí)，弦桿