一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師培訓(xùn)鋼結(jié)構(gòu)-空間網(wǎng)架

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、

、影劇院、

、會(huì)議室、候車廳、飛機(jī)庫、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(a)(b)上弦腹桿下弦下弦中弦上腹桿下腹桿2.

雙層網(wǎng)架的常用形式平面桁架系網(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)長桁架有嵌固作用，受力有利。角部產(chǎn)生拔力，常取無角部形式。比正交正放網(wǎng)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)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

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。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。星形四角錐網(wǎng)架由兩個(gè)倒置的三角形小桁架相互正交單元組成。適用于中、小跨度周邊支承方形或接近方形平面的網(wǎng)架。（3）三角錐體系網(wǎng)架三角錐網(wǎng)架抽空三角錐網(wǎng)架蜂窩形三角錐網(wǎng)架三角錐網(wǎng)架上、下弦平面均為三角形網(wǎng)格。桿件受力均勻，本身為幾何不變體，整體抗扭、抗彎剛度好。適用于大中跨度及重屋蓋建筑物，當(dāng)建筑平面為三角形、六邊形和圓形時(shí)最為適宜。抽空三角錐網(wǎng)架抽去部分三角錐單元的腹桿和下弦桿。下弦桿內(nèi)力較大，用鋼量省，但空間剛度較三角錐網(wǎng)架小。適用于中、小跨度的三角形、六邊形和圓形等平面的建筑。蜂窩形三角錐網(wǎng)架上弦為正三角形和正六邊形網(wǎng)格，下弦為正六邊形網(wǎng)格。本身幾何可變。其上弦桿短，下弦桿長，受力合理。適用于中、小跨度周邊支承的情況，可用于六邊形、圓形或矩形平面。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、制作安裝方法等因素?！毒W(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ

7-91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)的支承及其選型支承方式:周邊支承點(diǎn)支承周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合兩邊和三邊支承等。周邊支承

l/4

l

l

l/3ll/3l/4ll/3

l

l/3點(diǎn)支承點(diǎn)支承網(wǎng)架受力與鋼筋混凝土無梁樓蓋相似。為減小跨中正彎矩及撓度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量帶有懸挑，多點(diǎn)支承網(wǎng)架的懸挑長度可取跨度的1／4～1／3。周邊支承與點(diǎn)支承結(jié)合

各種柱帽形式點(diǎn)支承網(wǎng)架與柱子相連宜設(shè)柱帽以減小沖剪作用。柱帽可設(shè)置于下弦平面之下(圖a)，也可設(shè)置于上弦平面之上(圖b)。當(dāng)柱子直接支承上弦節(jié)點(diǎn)時(shí)，也可在網(wǎng)架內(nèi)設(shè)置傘形柱帽(圖c)，這種柱帽承載力較低，適用于中小跨度網(wǎng)架。常用網(wǎng)架選型表支承方式平面形狀跨度網(wǎng)架形式周邊支承矩形L1/L2≤

1.5≤

60m斜放四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架、星形四角錐網(wǎng)架＞

60m兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架1.5＜

L1/L2≤

2兩向正交正放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架L1/L2＞

2兩向正交正放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、單向折線形網(wǎng)架圓形、多邊形≤

60m三向網(wǎng)架、三角錐網(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架＞

60m三向網(wǎng)架、三角錐網(wǎng)架三邊支承矩形參照上述周邊支承矩形平面網(wǎng)架進(jìn)行選型，但其開口邊可采取增加網(wǎng)架層數(shù)或適當(dāng)增加整個(gè)網(wǎng)架高度等辦法，網(wǎng)架開口邊必須形成豎直的或傾斜的邊桁架四點(diǎn)支承及

多點(diǎn)支承正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架周邊支承與

點(diǎn)支承結(jié)合正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架或斜放四角錐網(wǎng)架注：1．當(dāng)網(wǎng)架跨度L1、L2

兩個(gè)方向的支承距離不等時(shí)，可選用兩向斜交斜放網(wǎng)架。2．L1

為網(wǎng)架長向跨度；L2

為網(wǎng)架短向跨度。2

網(wǎng)架高度及網(wǎng)格尺寸網(wǎng)架的高度與屋面荷載、跨度、平面形狀、支承條件、設(shè)備管道等因素有關(guān)。3

網(wǎng)架的撓度要求及屋面排水坡度容許撓度：用作屋蓋—L2/250，用作樓蓋—L2/300排水坡度：3%～5%起拱要求：L2/300（a）用小立柱（b）起拱網(wǎng)架屋面找坡找坡立柱2.3

網(wǎng)架的計(jì)算要點(diǎn)1.直接作用（荷載）和間接作用對(duì)對(duì)使用階段荷載作用下的內(nèi)力和位移進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)根據(jù)具體情況作用、溫度變化、支座沉降等間接作用及施工安裝荷載引起的內(nèi)力和位移進(jìn)行計(jì)算。（1）

荷載：①網(wǎng)架自重；②屋面（或樓面）材料重力；③吊頂材料的重力；④設(shè)備管道的重力。雙層網(wǎng)架自重gok（kN/m2）gok

qw

L2

/

200式中，gok——網(wǎng)架自重（kN/m2）；L2——網(wǎng)架的短向跨度（m）；qw——除網(wǎng)架自重外的屋面荷載或樓面荷載的標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；ξ——系數(shù)。對(duì)桿件采用

的網(wǎng)架取ξ=1.0；采用型鋼的網(wǎng)架取ξ=1.2。可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載及吊車荷載抗震驗(yàn)算：豎向抗震驗(yàn)算設(shè)防烈度為8度或9度的地區(qū)，周邊支承及多點(diǎn)支承和周邊支承相結(jié)合的網(wǎng)架v

為豎向FEvki作用系數(shù)。v

Gi豎向作用系數(shù)設(shè)防烈度場(chǎng)地類別ⅠⅡⅢ、Ⅳ8可不計(jì)算（

0.10）0.08（

0.12）0.10（

0.15）90.150.150.20注：括號(hào)中數(shù)值用于設(shè)計(jì)基本加速度為0.3g

地區(qū)懸挑長度較大的網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)以及用于樓層的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

，當(dāng)設(shè)防烈度為8度或9度時(shí)，其豎向

作用標(biāo)準(zhǔn)值可分別取該結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的10%或20%。設(shè)計(jì)基本

加速度為0.3g時(shí)，可取該結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的15%。計(jì)算重力荷載代表值時(shí)，

荷載取100%，雪荷載和屋面積灰荷載取50%，不計(jì)屋面活荷載。水平抗震驗(yàn)算在抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，對(duì)于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架可不進(jìn)行水平抗震驗(yàn)算；在抗震設(shè)防烈度為9度的地區(qū)，對(duì)各種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行水平抗震驗(yàn)算。（4）溫度內(nèi)力：不計(jì)算的條件①支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造允許網(wǎng)架側(cè)移，且側(cè)移值不小于下式的計(jì)算值（例如板式橡膠支座）；②周邊支承的網(wǎng)架，當(dāng)網(wǎng)架驗(yàn)算方向跨度小于40m，且支承結(jié)構(gòu)為獨(dú)立柱或磚壁柱；③在單位力作用下，柱頂位移大于或等于下式的計(jì)算值需要計(jì)算時(shí)，采用空間桁架位移法，或近似計(jì)算方法。

1m

L

Et

u

2EA

0.038

f（5）荷載及荷載效應(yīng)組合對(duì)非抗震設(shè)計(jì)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB

50009

；對(duì)抗震設(shè)計(jì)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB

50011網(wǎng)架內(nèi)力分析方法按彈性階段計(jì)算空間桁架位移法（空間桿系有限元法）交叉梁系差分法是一種簡化計(jì)算方法擬夾層板法是又一種簡化計(jì)算方法假想彎矩法也屬簡化計(jì)算方法2.4

空間桿系有限元法以網(wǎng)架的桿件為基本單元，以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量。先由桿件內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系建立單元?jiǎng)偠染仃嚕缓蟾鶕?jù)各節(jié)點(diǎn)平衡及變形協(xié)調(diào)條件建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)荷載和節(jié)點(diǎn)位移間關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣和總剛度方程。總剛度方程是以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的線性方程組。引入邊界條件后，求解出各節(jié)點(diǎn)位移值。最后由桿件單元內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)位移間關(guān)系求出桿件內(nèi)力。基本假定網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)為空間鉸接節(jié)點(diǎn)，桿件只承受軸力；結(jié)構(gòu)材料為完全彈性，在荷載作用下網(wǎng)架變形很小，符合小變形理論。2.空間桿系有限元法要點(diǎn)（1）單元?jiǎng)偠染仃嚳臻g桿系有限單元：每個(gè)桿件共有6個(gè)度：對(duì)應(yīng)6個(gè)桿端力：TxyxyF

F

F

F

F

F

F

Tjjjiw

u

v

w

e

i

i

u

v它們之間的關(guān)系是F

K

e

e

e式中即單元?jiǎng)偠染仃嚒：徒Y(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣位移法一致，只是相應(yīng)于剪力的各項(xiàng)均為零。

0

0000000

100000000001000000000000

1

0ijel

1K

EA

0（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換xyzxyz桿單元在整體坐標(biāo)系中的位置ij

n

cos

m

cos

lijij

zz

lijij

yyl

xxij

l

cos

e—{F}

＝[T]{F}e—；

{F}e＝[T]T{F}ee—{δ}

＝[T]{δ}e—eT；

{δ}

＝[T]

{δ}e22ij

ijijzz)y(2y)ij]]

[T[T]＝

[T[T12

]

21

22

[T11

]坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣[T]為：

n2

nm

lT11

T22

n2

n2

n2l

2

n2

l

2

mnl

2l

2

nl

2

lm0l[T12]＝[T21]＝0（3）結(jié)構(gòu)總剛度矩陣及總剛度方程jiijiij

ji

jji

e

K

K

K

K

F

e

e

F

[K]{δ}＝{P}結(jié)構(gòu)總剛矩陣中邊界條件的處理方法位移為零：劃行劃列法和乘大數(shù)法。彈性約束：將彈簧剛度K0疊加到總剛矩陣中對(duì)應(yīng)的主對(duì)角元上。指定位移：主對(duì)角元和右端項(xiàng)乘以大數(shù)R（5）網(wǎng)架的邊界條件及對(duì)稱性利用當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（包括支座）和外荷載有n個(gè)對(duì)稱面時(shí)，可利用對(duì)稱條件只分析網(wǎng)架的1/(2n)。對(duì)稱面內(nèi)各桿件的截面積應(yīng)取原截面面積的一半，n個(gè)對(duì)稱面交線上的中心豎桿，其截面面積應(yīng)取原截面面積的1/(2n)。在對(duì)稱荷載作用下，對(duì)稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的

稱位移為零；在稱荷載作用下，對(duì)稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的對(duì)稱位移應(yīng)取為零。斜邊界處理根據(jù)邊界點(diǎn)的位移情況設(shè)置具有一定截面積的附加桿對(duì)斜邊界上的節(jié)點(diǎn)位移做坐標(biāo)變換桿件內(nèi)力展開為：—T{F}e＝[T]

[K]

e{δ}ei

w

)ji

v

)

cos

(wji

u

)

cos

(vjijlN

EA

cos

(u3.空間桿系有限元法計(jì)算步驟計(jì)算簡圖，對(duì)節(jié)點(diǎn)和桿件進(jìn)行

；計(jì)算桿件單元長度及桿件與整體坐標(biāo)軸夾角余弦；初選各桿的截面積；建立局部和整體坐標(biāo)系下的單元?jiǎng)偠染仃?；集合總剛矩陣；建立荷載列陣；引入邊界條件對(duì)總剛度方程進(jìn)行處理；求解總剛度方程，得出各節(jié)點(diǎn)位移值；根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算桿件內(nèi)力；按桿件內(nèi)力調(diào)整桿件截面，并重新計(jì)算，迭代次數(shù)宜不超過4～5次。2.5

網(wǎng)架桿件設(shè)計(jì)截面、熱軋型鋼和冷彎薄壁型鋼計(jì)算長度（l為桿件幾何長度）網(wǎng)架桿件計(jì)算長度l0桿

件節(jié)

點(diǎn)螺栓球焊接空心球板節(jié)點(diǎn)弦桿及支座腹桿l0.9ll其它腹桿l0.8l0.8l容許長細(xì)比（1）受壓桿件：[]=180（2）受拉桿件：一般桿件[]=400，支座附近處桿件[]=300，直接承受動(dòng)力荷載桿件[]=250。網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)型式主要有：按節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)架中的位置可分為：中間節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)。按節(jié)點(diǎn)的連接方式可分為：焊接連接節(jié)點(diǎn)、高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)、焊接和高強(qiáng)螺栓混合連接節(jié)點(diǎn)。按節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式可分為：焊接空心球節(jié)點(diǎn)；螺栓球節(jié)點(diǎn)；焊接鋼板節(jié)點(diǎn)；焊接

節(jié)點(diǎn)；桿件直接匯交節(jié)點(diǎn)。我國常用的是鋼板節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)。2.6節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)螺栓球節(jié)點(diǎn)焊接鋼板節(jié)點(diǎn)焊接 節(jié)點(diǎn)桿件直接匯交節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)滿足下列要求受力合理，傳力明確；保證桿件匯交于一點(diǎn)，不產(chǎn)生附加彎矩；構(gòu)造簡單，制作安裝方便，耗鋼量?。槐苊怆y于檢查、清刷、涂漆和容易積留濕氣或灰塵的死角或凹槽，管形截面應(yīng)在兩端封閉。焊接空心球節(jié)點(diǎn)是用兩塊圓鋼板（鋼號(hào)Q235鋼或Q345鋼）經(jīng)熱壓或冷壓成兩個(gè)半球后對(duì)焊而成的。鋼球

外徑一般為160㎜～500㎜。分加肋與不加肋兩種（圖），當(dāng)焊接空心球的直徑大于300，且桿件內(nèi)力較大時(shí)，采用加肋球。肋板厚度不應(yīng)小于球壁等厚。焊接空心球的優(yōu)點(diǎn)是傳力明確，構(gòu)造簡單，造型美觀，連接方便，適應(yīng)性強(qiáng)。1.

焊接空心球節(jié)點(diǎn)焊接空心球直徑：D＝（d1＋2a＋d2）/θa≮10mmD/2D/2d1ad2空心球節(jié)點(diǎn)桿件間縫隙ADA（

a）無肋空心球D

/2~D

/3DB（

b）有肋空心球焊接空心球節(jié)點(diǎn)構(gòu)造30o30o22t/3B受壓空心球承載力設(shè)計(jì)值：受拉空心球承載力設(shè)計(jì)值：Nt≤

0.55t

t

df焊縫可按對(duì)接焊縫計(jì)算，質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)要求：否則只能作為斜角角焊縫按下式計(jì)算：feh

d

Nf≤

f

wDt

2d

2

Nc≤

c

400td

13.3螺栓球節(jié)點(diǎn)由鋼球、高強(qiáng)螺栓、緊固螺栓、套筒、錐頭或封板等零件組成，適合于連接圓桿件。螺栓球節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)小，重量輕，節(jié)點(diǎn)用鋼量約占網(wǎng)架用鋼量的10％?？捎糜诘木W(wǎng)架，特別適合于四角錐、三角錐體系的網(wǎng)架。這種節(jié)點(diǎn)安裝極為方便，可拆卸，安裝質(zhì)量宜達(dá)到保證?？梢愿鶕?jù)具體情況采用散裝、分條拼裝和整體拼裝等安裝方法。螺栓球節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)是，球體加工復(fù)雜，零部件多，加工精度高；價(jià)格貴；所需鋼號(hào)不一，工序復(fù)雜。2.

螺栓球節(jié)點(diǎn)腹桿弦桿螺栓球腹桿弦桿圓圓銷釘圓腹桿圓

弦桿高強(qiáng)度螺栓封板錐頭緊固螺釘長形六角套筒高強(qiáng)度螺栓螺栓球螺栓球連接節(jié)點(diǎn)圖示鋼球尺寸11

2

1

2D≥

sin

d

2d

2

d

2

d

ctg11

2

2

d

22D≥

sin

d

d

ctg螺栓不碰要求：套筒接觸面要求：鋼球直徑取式以上兩式的較大值。D≥1

1

11

2

D

2

2

sin

D

D

ctg

4S

2

(D

d

)

2當(dāng)相鄰兩桿夾角θ＜30°時(shí)，還要保證相鄰兩根桿件（管端為封板）不相碰要求：螺栓尺寸btN≤bteA

flb

d

S

0.65dlb1.56dd當(dāng)桿件管徑較大時(shí)采用錐頭連接。管徑較小時(shí)采用封板連接。連接焊縫以及錐頭的任何截面應(yīng)與連接 等強(qiáng)。桿件端部連接焊縫錐頭和封板套筒通常開有縱向滑槽(圖)，滑槽寬度一般比銷