网架结构

《大跨空间结构》之网架结构(上)Plate-likeSpaceTruss1/51内容1网架结构概述2网架结构选型3网架结构分析4网架结构设计5网架结构施工2/51§1网架结构概述网架是由多根杆件按一定的网格形式通过节点连结而成的平板型或微曲面型空间杆系结构。网架杆件节点3/51属高次超静定结构，空间受力，刚度大,整体工作性能好,抗倒塌性能好自重轻、节约钢材制作安装方便、工业化程度高形状适应性强、支承布置灵活结构高度低，便于管道穿越网架结构的优点4/51管道穿越网架5/51杆件密集，视觉上略显“繁杂”表面积大，防火、防腐问题突出弯矩抵抗型体系，工作效率不高。网架结构的缺点6/51网架结构的发展20世纪初，Bell率先提出并实践了空间网格结构；其后的发展主要围绕两条主线：1）节点连接形式；2）杆件网格划分方式7/51以MERO体系为代表的节点连接体系创新：球形节点碗形节点柱形节点碟形节点刚性节点叉形节点8/51以Fuller为代表的网格划分方式创新：9/51以Full为代表的网格划分方式创新：Octec体系OctecTrussOctahedronOctahedron10/511970年大阪世博会喜庆广场空间网架108X292m，6柱支承11/511.第一个网架，1964年，上海师范大学球类馆屋盖（31.5m×40.5m、角钢杆件，钢板节点）2.第一批有影响的网架1967年，首都体育馆；1973年，上海万人体育馆4.80年代初，专业网架厂家出现；90年代后期，年建设网架100万平方米以上，成为“网架王国”3.1981年，《网架结构设计与施工规定》颁布2010年，《空间网格结构技术规程》颁布我国网架结构的发展12/51工程实例——首都体育馆正交斜放网架，高6m，角钢杆件，板式螺栓节点，65kg/m217X6.6=112.215X6.6=99.013/51工程实例——上海万人体育馆三向网架，直径110m，外挑7.3m，高6m钢管杆件，焊接空心球节点，47kg/m214/51首都机场四机位机库1996(2X153X90m)工程实例——飞机机库广州白云机场机库(78X70m)198815/51工程实例——深圳市民中心三层网架，486×154m，网格6×6m，厚9m，焊接球节点，最大球直径900mm；屋顶面积6.3万平米，重约9000吨。（曲面网架，2004）16/511887年Kelvin提出：如果将三维空间用等体积单元填充且接触面积要最小，这些单元应是什么形状？1993年Weaire和Phelan提出由14面体和12面体组合模型，被认为是Kelvin问题的最佳解决方案。工程实例——水立方（异形网格网架，2008）17/51水立方网格结构示意1、由多面体单元构成的完整空间2、由空心多面体单元构成的空间网格3、切割形成平板状空间网格结构18/51§2网架结构选型2.1网架结构的基本类型2.2网架结构的支承设置2.3网架结构选型原则19/51§2.1网架结构的基本类型•按结构组成：双层网架、三层网架•按节点类型：螺栓球网架、焊接球网架•按网格组成：交叉桁架体系（两向、三向）角锥体系（三角锥、四角锥）20/511.平面桁架系网架由若干平面桁架相互交叉组成，各桁架在交点处共用一根竖杆。特点：上下弦杆等长根据桁架布置方式及交角的不同，主要分为3种形式注意：斜腹杆应沿受拉方向布置。21/51（1）两向正交正放网架注意：应通过设置水平支撑保证结构的几何不变性，增加空间刚度。22/51两向正交正放网架适用于正方形或接近正方形的建筑平面，此时其受力类似于双向板。当边长比2后，单向传力作用明显，两方向杆件内力差别较大，受力类似于单向板。L1L223/51适用于正方形和长方形建筑平面角部短桁架对与其垂直的长桁架起到弹性支承作用当长桁架直通角柱时，角柱会受到较大上拔力，设计中应予注意。在周边支承情况下，较两向正交正放网架刚度大、用料省。（2）两向正交斜放网架24/51网格呈正三角形，属几何不变体系适用于三角形、六边形、多边形和圆形平面空间刚度大、受力性能好节点汇交杆件多，构造复杂（3）三向网架思考：最多的节点汇交杆件是多少？(Nmax=13)25/51下弦杆腹杆上弦杆2.四角锥体系网架网架的上、下弦平面均为正方形网格，上、下弦网格相互错开半格。26/51受力均匀，空间刚度大，应用最广上、下弦节点均分别连接8根杆件。（1）正放四角锥网架思考：在何条件下网架所有杆件等长？27/51下弦网格尺寸比上弦网格尺寸大一倍。杆件数目少、构造简单、经济效果好受力与正交正放交叉梁系相似下弦杆件受力不均匀，刚度略小，适用于中小跨度（2）正放抽空四角锥网架28/51上弦杆短、下弦杆长节点构造简单，用钢量较省（上6下8）网架周边应布置刚性边梁（3）斜放四角锥网架29/51斜放四角锥网架水平转动45度（上正下斜）上弦杆短、下弦杆长，受力合理，屋面构造简单周边满锥时，刚度较好（4）棋盘形四角锥网架30/513.三角锥体系网架以等腰三角锥体为组成单元，由于三角形的稳定性，因而整体抗弯、抗扭刚度好。31/51受力均匀，空间刚度大适用于三角形、六边形或圆形平面适用于大中跨度及重屋面的建筑物（1）三角锥网架思考：在何条件下网架所有杆件等长？23hs32/51除周边网格不动外，按一定规律抽掉一些三角锥单元。整体刚度较差适用于中小跨度的轻屋面的建筑物（2）抽空三角锥网架33/51节点汇交6根，构造简单上弦平面六边形，增加屋面板布置和找坡的困难适用于中小跨度的周边支承网架，用于六边形、圆形和矩形平面（3）蜂窝形三角锥网架试找出其构成规律。34/511.周边支承；2.点支承；3.周边支承与点支承结合；4.三边或两边支承；5.单边支承§2.2网架结构的支承设置•网架支承位置(A)上弦支承(B)下弦支承•网架支承布置35/51传力直接、受力均匀，较为常用当支承于柱顶时，网格宽度要与柱距一致。当支承于圈梁时，网格的划分可不受柱距的约束。1.周边支承36/51受力与无梁楼盖相似，应尽可能设计成悬挑形式悬挑网格可使跨中弯矩和挠度减少，网架内力趋于均匀2.点支承单跨多点支承网架，悬挑长度宜取中间跨度的1/3；多点支承连续跨网架，悬挑长度宜取中间跨度的1/437/51柱帽有下面几种常用形式：（1）设置在网架下，形成倒锥形支座。特点：传力直接，但占据室内空间。为使支承点附近的杆件内力不致过大，宜在支承点处设置柱帽以扩散反力。38/51（2）设置在网架内，柱直接支承在上弦节点上。特点：不占室内空间；但承载力较低，适用轻屋盖或中小跨度网架。（3）设置在网架上，形成局部加高网格区域。特点：不占室内空间，柱帽上凸部分可兼作采光天窗。39/51可有效减少网架杆件的内力峰值和挠度适用于大柱网工业厂房、仓库、展览馆等3.周边支承与点支承结合40/51在飞机库、影剧院、工业厂房、干煤棚等中应用自由边的存在对网架内力分布和挠度都不利，应对其做特殊处理。4.三边或两边支承41/511)在自由边附近增加网架层数，或加设托梁、托架2)增加网架高度或局部杆件截面加大(中、小型网架)42/51受力与悬挑板相似多用于挑篷结构5.单边支承43/51网架选型应根据建筑平面形状和尺寸、支承条件、荷载大小、屋面构造、制作方法等方面综合确定§2.3网架结构的选型原则耗钢量杆件与节点的造价差异围护结构费用安装费用结构整体刚度外观效果网格形式尺寸确定构造要求44/511.网格形式的选择1）矩形平面、长宽比≤1.5、周边支承两向正交斜放•四角锥系和两向正交桁架系均适用。•斜放体系优于正放体系。棋盘形四角锥斜放四角锥45/512）矩形平面、长宽比1.5、周边支承•四角锥系和两向正交桁架系均适用。•正放体系优于斜放体系。正放抽空四角锥正放四角锥两向正交正放46/513）矩形平面、点支承4）圆形、多边形平面•不应采用斜放体系。•宜采用三向桁架系或三角锥系。抽空三角锥网架三角锥网架三向网架尽管正放四角锥网架用钢量略高，但其标准化程度好，适用性广，目前采用较多47/51（1）荷载和设备尺寸（挠度和设备穿行空间）（2）平面形状（空间作用是否显著）（3）支承条件（周边支承优于点支承）（4）建筑尺寸要求（建筑高度）2.网架高度确定一般宜取跨度的1/10—1/18，跨度大取小值。48/51•屋面材料无檩体系，不宜超过4m有檩体系，不宜超过6m•网架在短向跨度的网格数不宜小于53.网格尺寸确定•相邻杆件间夹角宜大于45度，不宜小于30度49/51•设短柱支托构造简单，是采用较多的找坡方法•当中间屋脊处小立柱较高时，应验算其自身稳定性•对于大跨度网架可采取变高度与小立柱相结合的方法4.网架屋面排水方案(A)网架整体起拱(B)网架变高度(C)设短柱支托50/51变高度网架51/515.网架起拱与容许挠度•起拱的目的是避免视觉和心理上的下垂感，有时也用于降低网架在永久荷载下的挠度•起拱度≤L/300•对起拱网架设计时可按不起拱计算•容许挠度:屋盖L/250,楼盖L/300《大跨空间结构》之网架结构(下)Plate-likeSpaceTruss53/86§3网架结构分析3.1荷载作用3.2有限元分析方法3.3几何不变性分析54/861．永久荷载（1）自重（2）屋面（3）吊顶(4)设备管道2．可变荷载（1）屋面活载（2）屋面雪荷载（3）风荷载（4）积灰荷载（5）吊车荷载3.温度应力4.地震作用（水平，竖向）§3.1荷载作用55/86★补充说明1）双层网架自重估算qw—除网架自重外的荷载标准值（kN/m2）L—网架的短向跨度（m）1.5wLGq•网架节点自重一般占网架总重的20%-25%。20406080100020406080100qw=1.5kN/m2qw=2.0kN/m2G(kg/m2)L(m)qw=0.8kN/m2网架杆件自重随跨度变化•网架自重（kg/m2）56/862）网架屋面自重估算•轻（金属）屋面：0.3kN/m2•保温玻璃屋面：1.0kN/m2•重屋面：约1.5kN/m23）雪荷载•雪荷载与屋面活荷载不同时考虑，取大值；•应考虑雪荷载的不均匀分布57/864）温度应力对于两端固定的杆件，每变化1℃引起的温度应力约为2.5N/mm2对于可自由变形的杆件，每变化1℃引起的温度变形为1.2×10-5L钢结构的温度应力为：tEt—钢材的线膨胀系数，1.2×10-5/℃E—钢材的弹性模量，2.06×105N/mm2温度应力与支座约束密切相关。58/86温度变化范围是指施工安装完毕时的气温与当地常年最高或最低气温之差。网架支承平面弦件的温度应力大于非支承平面杆件，边缘区域的杆件大于中间区域。59/86符合下列条件之一者，可不考虑温度应力：1.支座节点的构造允许网架侧移，且允许侧移值大于或等于网架温度变形值；2.网架周边支承、网架验算方向跨度小于40m，且支承结构为独立柱；3.在单位力作用下，柱顶位移值大于或等于下式计算值：1038.02ftEaEALumAm——支承平面弦杆截面积算数平均值（mm2）——系数，正交正放=1.0，正交斜放=1.414，三向=2.060/86既允许温度变形又能有效抵抗侧向力的支座设置61/86单向滑动支座板式橡胶支座62/865）地震作用频谱相当密集（需考虑多振型组合）可分为水平振型与竖向振型两类，一般竖向分量大各种不同类型网架的竖向振型曲面基本上相似不同类型但具有相同跨度的网架基本周期比较接近网架结构的自振频率和振型具有如下特点：63/86网架地震分析可采用振型分解反应谱法或时程分析法•采用振型分解反应谱法时，宜至少取前10~15个振型；•采用时程分析法时，应选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟加速度时程曲线；•应考虑支承结构对网架受力的影响，1）进行整体建模分析；2）把支承结构简化为弹性支座分析；•在抗震设防烈度为8度的地区，对于周边支承的中小跨度网架，应进行竖