空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

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；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)廣泛用作體育館、展覽館、俱樂部、影劇院、食堂、會議室、候車廳、飛機庫、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。缺點是匯交于節(jié)點上的桿件數(shù)量較多，制作安裝較平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2021/5/911.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2021/5/922.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：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。

2021/5/93兩向正交正放網(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。兩個方向的桿件內(nèi)力差別不大，受力較均勻。

2021/5/94兩向正交斜放網(wǎng)架

短桁架對長桁架有嵌固作用，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)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。2021/5/95三向網(wǎng)架

特點：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。

2021/5/96（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2021/5/97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支承情況。

周邊網(wǎng)格錐體不動外，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)格尺寸擴大一倍。適用于中、小跨度或屋面荷載較輕的周邊支承、點支承以及周邊支承與點支承結(jié)合的網(wǎng)架。

2021/5/98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。克服了斜放四角錐網(wǎng)架屋面板類型多，屋面組織排水較困難的缺點。適用于中、小跨度周邊支承方形或接近方形平面的網(wǎng)架。

2021/5/99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，或周邊支承與點支承相結(jié)合的矩形平面情況。

2021/5/910星形四角錐網(wǎng)架

由兩個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。

2021/5/911（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

2021/5/912三角錐網(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、六邊形和圓形時最為適宜。

2021/5/913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。

2021/5/914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。

2021/5/9152.2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。

《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》JGJ7-91

大跨度為60m以上中跨度為30～60m

小跨度為30m以下

2021/5/9161網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支承及其選型支承方式:周邊支承點支承周邊支承與點支承相結(jié)合兩邊和三邊支承等。2021/5/917周邊支承點支承2021/5/918點支承網(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)計時應(yīng)盡量帶有懸挑，多點支承網(wǎng)架的懸挑長度可取跨度的1／4～1／3。

周邊支承與點支承結(jié)合

2021/5/919各種柱帽形式點支承網(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)點時，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。

2021/5/9202021/5/9212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)。

2021/5/9223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

2021/5/9232.3網(wǎng)架的計算要點

1.直接作用（荷載）和間接作用

對使用階段荷載作用下的內(nèi)力和位移進行計算，并應(yīng)根據(jù)具體情況對地震作用、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)力和位移進行計算。（1）永久荷載：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）

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準值（kN/m2）；

ξ——系數(shù)。對桿件采用鋼管的網(wǎng)架取ξ=1.0；

采用型鋼的網(wǎng)架取ξ=1.2。2021/5/924（2）可變荷載：活荷載、雪荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載及吊車荷載

（3）抗震驗算：

豎向抗震驗算設(shè)防烈度為8度或9度的地區(qū)，周邊支承及多點支承和周邊支承相結(jié)合的網(wǎng)架

v

為豎向地震作用系數(shù)。

2021/5/925

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，其豎向地震作用標準值可分別取該結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的10%或20%。設(shè)計基本地震加速度為0.3g時，可取該結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的15%。計算重力荷載代表值時，永久荷載取100%，雪荷載和屋面積灰荷載取50%，不計屋面活荷載。水平抗震驗算

在抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，對于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架可不進行水平抗震驗算；在抗震設(shè)防烈度為9度的地區(qū)，對各種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均應(yīng)進行水平抗震驗算。2021/5/926（4）溫度內(nèi)力：不計算的條件①支座節(jié)點的構(gòu)造允許網(wǎng)架側(cè)移，且側(cè)移值不小于下式的計算值（例如板式橡膠支座）；②周邊支承的網(wǎng)架，當(dāng)網(wǎng)架驗算方向跨度小于40m，且支承結(jié)構(gòu)為獨立柱或磚壁柱；③在單位力作用下，柱頂位移大于或等于下式的計算值

需要計算時，采用空間桁架位移法，或近似計算方法。

2021/5/927（5）荷載及荷載效應(yīng)組合

對非抗震設(shè)計，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009；對抗震設(shè)計，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011

2.網(wǎng)架內(nèi)力分析方法

按彈性階段計算

（1）空間桁架位移法（空間桿系有限元法）（2）交叉梁系差分法是一種簡化計算方法（3）擬夾層板法是又一種簡化計算方法（4）假想彎矩法也屬簡化計算方法2021/5/9282.4空間桿系有限元法

以網(wǎng)架的桿件為基本單元，以節(jié)點位移為基本未知量。先由桿件內(nèi)力與節(jié)點位移之間的關(guān)系建立單元剛度矩陣，然后根據(jù)各節(jié)點平衡及變形協(xié)調(diào)條件建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點荷載和節(jié)點位移間關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣和總剛度方程?？倓偠确匠淌且怨?jié)點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)點位移值。最后由桿件單元內(nèi)力與節(jié)點位移間關(guān)系求出桿件內(nèi)力。

1.基本假定（1）網(wǎng)架的節(jié)點為空間鉸接節(jié)點，桿件只承受軸力；（2）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。2021/5/9292.空間桿系有限元法要點（1）單元剛度矩陣

空間桿系有限單元：每個桿件共有6個自由度：對應(yīng)6個桿端力：它們之間的關(guān)系是2021/5/930式中即單元剛度矩陣。和結(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣位移法一致，只是相應(yīng)于剪力的各項均為零。2021/5/931（2）坐標轉(zhuǎn)換

桿單元在整體坐標系中的位置

2021/5/932坐標轉(zhuǎn)換矩陣[T]為：

2021/5/933（3）結(jié)構(gòu)總剛度矩陣及總剛度方程

（4）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應(yīng)的主對角元上。指定位移：主對角元和右端項乘以大數(shù)R

2021/5/934（5）網(wǎng)架的邊界條件及對稱性利用

當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（包括支座）和外荷載有n個對稱面時，可利用對稱條件只分析網(wǎng)架的1/(2n)。對稱面內(nèi)各桿件的截面積應(yīng)取原截面面積的一半，n個對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)。在對稱荷載作用下，對稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點的反對稱位移為零；在反對稱荷載作用下，對稱面內(nèi)網(wǎng)架節(jié)點的對稱位移應(yīng)取為零。

2021/5/935（6）斜邊界處理根據(jù)邊界點的位移情況設(shè)置具有一定截面積的附加桿對斜邊界上的節(jié)點位移做坐標變換

（7）桿件內(nèi)力展開為：2021/5/9363.空間桿系有限元法計算步驟（1）計算簡圖，對節(jié)點和桿件進行編號；（2）計算桿件單元長度及桿件與整體坐標軸夾角余弦；（3）初選各桿的截面積；（4）建立局部和整體坐標系下的單元剛度矩陣；（5）集合總剛矩陣；（6）建立荷載列陣；（7）引入邊界條件對總剛度方程進行處理；（8）求解總剛度方程，得出各節(jié)點位移值；（9）根據(jù)節(jié)點位移計算桿件內(nèi)力；（10）按桿件內(nèi)力調(diào)整桿件截面，并重新計算，迭代次數(shù)宜不超過4～5次。2021/5/9372.5網(wǎng)架桿件設(shè)計截面鋼管、熱軋型鋼和冷彎薄壁型鋼

計算長度（l為桿件幾何長度）

2021/5/938容許長細比（1）受壓桿件：[]=180（2）受拉桿件：一般桿件[]=400，支座附近處桿件[]=300，直接承受動力荷載桿件[]=250。

2021/5/939網(wǎng)架節(jié)點型式主要有：（1）按節(jié)點在網(wǎng)架中的位置可分為：中間節(jié)點和支座節(jié)點。（2）按節(jié)點的連接方式可分為：焊接連接節(jié)點、高強螺栓連接節(jié)點、焊接和高強螺栓混合連接節(jié)點。（3）按節(jié)點的構(gòu)造形式可分為：焊接空心球節(jié)點；螺栓球節(jié)點；焊接鋼板節(jié)點；焊接鋼管節(jié)點；桿件直接匯交節(jié)點。我國常用的是鋼板節(jié)點、焊接空心球節(jié)點、螺栓球節(jié)點。2.6節(jié)點設(shè)計2021/5/940

焊接空心球節(jié)點螺栓球節(jié)點焊接鋼板節(jié)點焊接鋼管節(jié)點桿件直接匯交節(jié)點

2021/5/941網(wǎng)架的節(jié)點構(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，不產(chǎn)生附加彎矩；構(gòu)造簡單，制作安裝方便，耗鋼量小；避免難于檢查、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。2021/5/942

焊接空心球節(jié)點是用兩塊圓鋼板（鋼號Q235鋼或Q345鋼）經(jīng)熱壓或冷壓成兩個半球后對焊而成的。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，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)點是傳力明確，構(gòu)造簡單，造型美觀，連接方便，適應(yīng)性強。1.焊接空心球節(jié)點2021/5/9432021/5/9442021/5/9452021/5/9462021/5/947焊接空心球直徑：D＝（d1＋2a＋d2）/θ空心球節(jié)點桿件間縫隙

2021/5/948焊接空心球節(jié)點構(gòu)造

2021/5/949受壓空心球承載力設(shè)計值：

受拉空心球承載力設(shè)計值：

焊縫可按對接焊縫計算，質(zhì)量應(yīng)達到Ⅱ級要求：否則只能作為斜角角焊縫按下式計算：

2021/5/950螺栓球節(jié)點由鋼球、高強螺栓、緊固螺栓、套筒、錐頭或封板等零件組成，適合于連接圓鋼管桿件。螺栓球節(jié)點的優(yōu)點是節(jié)點小，重量輕，節(jié)點用鋼量約占網(wǎng)架用鋼量的10％。可用于任何形式的網(wǎng)架，特別適合于四角錐、三角錐體系的網(wǎng)架。這種節(jié)點安裝極為方便，可拆卸，安裝質(zhì)量宜達到保證?？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)點的缺點是，球體加工復(fù)雜，零部件多，加工精度高；價格貴；所需鋼號不一，工序復(fù)雜。2.螺栓球節(jié)點2021/5/951螺栓球連接節(jié)點圖示

2021/5/9522021/5/9532021/5/9542021/5/9552021/5/9562021/5/9572021/5/958鋼球尺寸

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。2021/5/959當(dāng)相鄰兩桿夾角θ＜30°時，還要保證相鄰兩根桿件（管端為封板）不相碰要求：2021/5/960螺栓尺寸

2021/5/961當(dāng)桿件管徑較大時采用錐頭連接。管徑較小時采用封板連接。連接焊縫以及錐頭的任何截面應(yīng)與連接鋼管等強。

桿件端部連接焊縫錐頭和封板2021/5/962套筒通常開有縱向滑槽(圖)，滑槽寬度一般比銷釘直徑大1.5-2mm。套筒應(yīng)進行承壓驗算：套筒端部到開槽端部(或釘孔端)距離應(yīng)使該處有效截面抗剪力不低于銷釘(或螺釘)抗剪力，且不小于1.5倍開槽的寬度或6mm。套筒端部要保持平整，內(nèi)孔L徑可比螺栓直徑大1mm。

套筒幾何尺寸2021/5/9633.焊接鋼板節(jié)點

2021/5/964鋼板節(jié)點的構(gòu)造及設(shè)計鋼板節(jié)點的節(jié)點板及蓋板所采用的鋼材應(yīng)與網(wǎng)架桿件一致。鋼板節(jié)點的構(gòu)造及設(shè)計要點如下：（1）桿件重心線在節(jié)點處宜交與一點，否則應(yīng)考慮其偏心影響（2）桿件與節(jié)點連接焊縫的分布，應(yīng)使焊縫截面的重心與桿件重心重合，否則應(yīng)考慮其偏心影響；（3）便于制作和拼裝。網(wǎng)架弦桿應(yīng)與蓋板和節(jié)點板共同連接，當(dāng)網(wǎng)架跨度較小時，弦桿也可只與節(jié)點板