网架结构PPT课件

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1. 第四章网架结构概述网架的形式与选型网架结构的一般问题网架结构分析网架结构的杆件和节点网架的制作与安装
2. 空间网架（网壳）以多根杆件按照一定规律组合而成的网格状高次超静定空间杆系结构。以大致相同的格子或尺寸较小的单元重复组成，实质为一种空间受力的桁架结构（空间网格结构）。与平面结构比较，由于在荷载作用下三向受力，避免了在平面结构中的层层传力现象，且结构的刚度也较平面结构高。平板网架——平板型的空间网格结构；网壳——曲面型的空间网格结构。第一节概述
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5. 网架及网壳结构的特点三维受力、能承受来至各个方向的荷载；网架结构系高次超静定结构，整体性及稳定性好、空间刚度大；体系稳定、抗震性能好，在7度及7度以下地区可不进行抗震验算；杆件主要承受轴向力，能充分发挥材料的强度结构高度小（约是平面桁架高度的2/3）、自重轻、节约钢材；杆件及配套零件规格化、便于工业化生产，但制造精度要求高；适应性强、平面布置灵活。
6. 第二节网架的形式与选型网架的基本单元及几何不变性单元：规则的几何体：三角锥、四角锥、三棱体、正方棱柱体、六角锥等。
7. 网架几何不变性分析网架结构在外力作用下必须是几何不变体系，但是许多形式的网架就其结构本身而言是结构几何可变的，只有加上适当的支座约束后才成为几何不变体系。因此，对网架的机动分析非常重要。
8. 网架几何不变的必要条件网架的力学模型是一个铰接的空间杆系结构，因为一个刚体在空间的自由度为6，一个空间简单铰的自由度为3，故网架任一节点有3个自由度。对于具有J个节点m根杆件的网架，支承于有r根连杆的支座上时，其几何不变的必要条件可由下式计算： m + r - 3J  0 或 m  3J - r 当m = 3J - r 时为静定结构，当 m > 3J - r 时为超静定结构， m < 3J - r 时为几何可变体系。
9. 若将网架作为一个刚体考虑，则最少的支座约束链杆数为6，即上式中的r 6。如网架不与支座连接，仅考虑网架内部是否几何可变，则由下式计算： K = 3J - m - 6 当K= 0时，网架杆件数恰好满足其内部几何不变的必要条件；当K< 0时，内部有多余杆件；当K > 0时，内部几何可变。
10. 网架几何不变的充分条件三角形是几何不变的，因此，以三根不共面的杆件交出一个新节点所构成的网架单元也为几何不变体系。当网架杆系组成的形体是由三角形界面组成的多面体时，亦是几何不变的。故对网架结构几何不变问题的分析可变成平面问题进行。网架几何可变单元可通过加设杆件或适当加设支承链杆使其成为几何不变体系。* 用程序计算时，如出现挠度特别大等不合理情况，则该网架有可能为几何可变。
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12. 按结构组成分类双层网架由上、下两个平放的平面桁架作弦杆层，上、下两弦杆层间设有腹杆层相互联系。上、下层的杆件称为网架的上弦杆、下弦杆，位于两层之间的杆件称为腹杆。网架通常采用双层。三层网架由三个弦杆层以及层间的两层腹杆杆件组成。一般用于跨度及荷载较大时（50m以上），也可用于局部加强。平板网架结构的形式
13. 按支承情况分类周边支承网架网架的所有边界节点均搁置在柱或梁上。当网架周边支承于柱顶时，网格宽度可与柱距一致。网架周边支承于梁时，网格的划分比较灵活，可不受柱距的约束。
14. 三边支承或两边支承网架由于建筑功能的要求，需要在一边或两对边上开口，因而使网架仅在三边或两对边上支承，另一边或两对边处理成自由边。自由边的存在对网架的受力是不利的,为此一般应对自由边作出特殊处理。
15. 普遍的做法是，在自由边附近增加网架的层数（见 a 图），或者在自由边加设托梁、托架（见图b）。对中、小型网架亦可选择增加网架高度或局部加大杆件截面等方法。
16. 点支承网架点支承网架可置于四个或多个支承上。a 图称为四点支承网架，b 图称为多点支承网架。（a）（b）
17. 点支承网架主要用于大柱距工业厂房、仓库以及展览厅等大型公共建筑。由于支承点较少，支点反力较大。为了使通过支点的主桁架及支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。点支承网架周边应有适当悬挑以减少网架跨中挠度与杆件的内力。
18. 周边支承与点支承混合网架在点支承网架中，当周边设有维护结构和抗风柱时，可采用周边支承与点支承混合的形式。这种支承方式适用于工业厂房和展览厅等公共建筑。
19. 按网格组成分类交叉桁架体系由若干平面桁架相互交叉组成。竖向平面桁架的形式与一般平面桁架相似，根据平面桁架布置方式及交角的不同，可分为几种形式。两向正交正放网架
20. 两向正交正放网架的构成特点是：两个方向的平面桁架垂直交叉，且分别与边界方向平行。这种网架的上、下弦平面呈正方形，基本单元为六面体，属几何可变。为保证结构的几何不变性以及增加空间刚度，应适当设置水平支撑，以有效传递水平力。对周边支承网架，水平支撑宜在上弦或下弦网格内沿周边设置；对点支承网架，水平支撑则应在通过支承点的主桁架附近设置。
21. 两向正交正放网架的受力状况取决于平面尺寸及支承情况。对于周边支承、正方形平面的网架，其受力类似于双向板。两向正交正放网架沿两个方向的杆件内力差别不大，受力比较均匀。但随着边长比的变化，单向传力作用渐趋明显，两方向杆件内力差别也随之加大。对于点支承网架，支承附近的杆件及主桁架跨中弦杆的内力最大，其它部位杆件的内力很小。两向正交正放网架适用于正方形或接近正方形以及狭长矩形的建筑平面。
22. 两向正交斜放网架两向正交斜放网架的构成特点是：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且与边界成45°夹角。
23. 两向正交斜放网架中平面桁架与边界斜交，各片桁架长短不一，靠近角部的短桁架相对刚度较大，对与其垂直的长桁架有一定的弹性支承作用，从而减小了长桁架中部的正弯矩。在周边支承情况下，它较两向正交正放网架刚度大、用料省。对矩形平面其受力也较均匀。当长桁架直通角柱时，四个角支座会产生较大向上拉力，设计中应予注意。如采用图b 所示布置方式，拉力可由两榀桁架承受。适用于正方形和长方形的建筑平面。
24. 三向网架三向网架的构成特点是：三个方向的竖向平面桁架互成60°角斜向交叉。在三向网架中，上、下弦平面的网格均为正三角形，因此这种网架是以若干稳定的三棱体作为基本单元所组成的几何不变体系。
25. 四角锥体系这类网架以四角锥为其组成单元。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使下弦平面正方形的四个顶点对应于上弦平面正方形的形心，并以腹杆连接，即形成若干四角锥体。
26. 正放四角锥网架正放四角锥网架的构成特点是：以倒四角锥体为组成单元，上、下弦杆均与相应边界平行。正放四角锥网架的上、下弦节点均分别连接八根杆件。
27. 正放四角锥网架的杆件受力比较均匀，空间刚度较其它类型四角锥网架及两向网架为好。当采用钢筋混凝土板作屋面板时，板的规格单一，便于起拱，屋面排水相对容易处理。但因杆件数目较多其用钢量可能略高些。正放四角锥网架一般适用于建筑平面呈正方形或接近于正方形的周边支承、点支承（有柱帽或无柱帽）大柱距、以及设有悬挂吊车的工业厂房与有较大屋面荷载的情况。
28. 正放抽空四角锥网架构成特点：在正放四角锥网架的基础上，除周边网格不动外，适当抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸比上弦网格尺寸大一倍。其受力与正交正放交叉梁系相似。
29. 正放抽空四角锥网架的杆件数目较少，构造简单，经济效果好，起拱比较方便。不过抽空以后，下弦杆内力的均匀性较差，刚度比未抽空的正放四角锥网架小些，但能够满足工程要求。正放抽空四角锥网架适用于中、小跨度或屋面荷载较轻的周边支承、点支承以及周边支承与点支承混合等情况。
30. 斜放四角锥网架斜放四角锥网架的构成特点：以倒四角锥体为组成单元，由锥底构成的上弦杆与边界成45°夹角，而连接各锥顶的下弦杆则与相应边界平行。
31. 斜放四角锥网架上弦杆长度比下弦杆长度小，在周边支承的情况下，通常是上弦杆受压，下弦杆受拉，因而杆件受力合理。此外，节点处汇交的杆件（上弦节点六根，下弦节点八根）相对较少，用钢量较省。周边支承的斜放四角锥网架，在支承沿周边切向无约束时，四角锥体可能绕Z轴旋转而造成网架的几何可变，因此必须在网架周边布置刚性边梁；点支承的斜放四角锥网架，可在周边设置封闭的边桁架。
32. 三角锥体系三角锥网架三角锥网架的构成特点是：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。
33. 抽空三角锥网架构成特点是：在三角锥网架的基础上，除周边网格不动外，适当抽掉一些三角锥单元中的腹杆和下弦杆。
34. 第三节网架结构的一般问题网架结构的选型根据建筑的造型、平面形状和尺寸、支承情况、荷载大小、屋面材料等综合考虑。从材料用量考虑宜采用：斜放四角锥正放四角锥两向正交正放当跨度及荷载都大时三向交叉梁系较合理，刚度也比较大。
35. 从平面形状和大小考虑，当为周边简支时建议： ① 平面为方形或接近方形、中小跨度（60m)：两向正交斜放、正放四角锥、斜放四角锥 ② 平面为矩形：两向正交斜放或斜放四角锥 ③ 平面为圆形、正多边形、扇形：三向交叉梁系或三角锥当为多点支承的连续网架：两向正交正放或正放四角锥。
36. 网架结构的网格尺寸和高度网格尺寸网格大小直接影响网架的经济性，应综合考虑。相关因素：屋面材料：钢筋混凝土屋面板时，不宜超过 3m；轻型屋面：3~6米。网架高度：网架高度应使腹杆与弦杆的夹角在45－60 左右。网架高度相关因素：屋面荷载与刚度要求、平面形状、支承条件、节点构造形式
37. 网架结构的整体构造整个网架起坡网架变高度上弦节点上加小立柱找坡网架结构的屋面排水坡的形成网架的起拱中小跨度网架不需起拱大跨度网架起拱高度为短向跨度的1/300。网架的容许挠度屋盖：短向跨度的1/250；楼盖：短向跨度的1/300。
38. 第四节网架结构分析荷载、作用与效应组合永久荷载楼面或屋面覆盖材料自重网架自重双层网架估算屋（楼）面荷载标准值，短向跨度，钢管时1.0，型钢时1.2 吊顶材料自重设备管道自重
39. 可变荷载楼面或屋面活荷载雪荷载积灰荷载风荷载吊车荷载温度作用由于温度变化，使网架杆件产生附加温度应力，必须在计算和构造措施中加以考虑。
40. 地震作用周边支承的网架，设计烈度8°或8°以上时，考虑竖向地震作用；设计烈度9°时还考虑水平地震作用。荷载效应组合考虑使用和施工过程中的最不利情况进行组合。非抗震设计抗震设计无吊车荷载和风荷载、地震作用时，有如下组合：永久荷载＋可变荷载永久荷载＋半跨可变荷载网架自重＋半跨屋（楼）面板自重＋半跨施工荷载
41. 基本假定、计算模型和计算方法基本假定节点铰接，杆件只承受轴向力；按小挠度理论计算；按弹性方法分析。计算模型铰接杆系计算模型；梁系计算模型；平板计算模型。计算方法有限元法、差分法、力法、微分方程近似解法
42. 空间桁架位移法以网架结构的杆件为基本单元，以节点位移为基本未知量；先对杆件单元进行分析，根据虎克定律建立单元杆件内力与节点位移之间的关系，形成单元刚度矩阵；对结构进行整体分析，根据各节点的变形协调条件和静力平衡条件结构上的节点荷载和节点位移之间的关系，形成结构的总体刚度矩阵和总刚度方程；引入边界条件；求解结构的总刚度方程，得出各节点的位移值；由单元杆件内力与节点位移之间的关系求出杆件内力。
43. 网架温度应力计算网架结构是高次超静定杆系结构，当温度变化而出现温差时，因杆件不能自由变形，将会在杆件中产生应力，即温度应力。温差为由网架安装完成时的温度与网架使用阶段的最高或最低环境温度的差别。网架因温差产生的温度应力不超过钢材强度设计值5％。不考虑温度应力的条件网架支承平面杆件的温度应力最大，随着支座法向约束的减弱而减少。当符合下列条件之一时，可不考虑杆件的温度应力：
44. 支座节点的构造允许网架侧移时，其侧移值大等于下式计算值；周边支承的网架，且网架验算方向跨度小于40m，支承结构应为独立柱或砖壁柱；在单位力作用下，柱顶侧移大等于下式计算值。当网架支座节点的构造使网架沿边界法向方向不能产生相对位移时，由温度变化在柱顶引起的柱顶水平力按下式计算：
45. 温度应力的计算空间桁架位移法：首先将网架各节点加以约束，求出因温度变化而引起的杆件固端内力和各节点的节点不平衡力；然后取消约束，将不平衡力反向作用在节点上；用空间桁架位移法求出由节点不平衡力引起的杆件内力；将杆件固端内力与节点不平衡力引起的杆件内力叠加，即为杆件的温度应力。
46. 网架在地震作用下的内力计算网架不考虑抗震验算的条件：在抗震设防烈度6°或7°的地区，网架屋盖结构可不进行竖向抗震验算；在抗震设防烈度8°或9°的地区，网架屋盖结构应进行竖向抗震验算；在抗震设防烈度7°的地区，可不进行水平抗震验算；在抗震设防烈度8°的地区，对周边支承的中小跨度网架可不进行水平抗震验算；在抗震设防烈度9°的地区，对各种网架均应进行水平抗震验算。
47. 网架自振频率和振型的特点振动频率密集；常用周边支承网架的基本周期在0.3～0.7s之间；基本周期与结构短向跨度相关，跨度大则周期长；振型分为水平振型和竖向振型两类，第一振型为竖向振型。网架自振特性的计算网架的无阻尼自由振动方程：可得网架的广义特征值问题：
48. 网架地震反应分析方法振型分解反应谱方法：先求出对应于每一振型的最大地震作用；然后作为静荷载作用于结构上，用空间桁架位移法求出相应的地震作用效应；再进行组合，求得杆件的地震内力标准值。时程分析法：根据选定的地震波对网架对动力方程进行直接积分，采用逐步积分的方法计算地震过程中每一时刻的位移、速度和加速度反应。
49. 网架抗震构造简化分析法：对于周边支承网架屋盖以及多点支承和周边支承相结合的网架屋盖，竖向地震作用标准值可按下式确定：作用在网架i节点上竖向地震作用标准值；网架i节点的重力荷载代表值；竖向地震作用系数设防烈度场地类别ΙⅡⅢⅣ8－0.080.1090.150.150.20 抗震设防烈度7°及7°以上时，网架在支承平面周边区段宜设置水平支撑。
50. 沿周边2~3网格区域内杆件长细比不应大于180；有檩体系屋盖的檩条必须与网架可靠连接；网架屋面排水坡度的形成宜采用变高度或整个网架起拱的方法。
51. 网架结构的杆件设计杆件材料：Q235钢和Q345钢。杆件截面：圆钢管、双角钢、方钢管、H型钢等。计算长度：螺栓球：1.0l 弦杆 0.9l 焊接球：腹杆 0.8l 长细比：压杆 180 拉杆 300（支座及附近）、400（一般）最小截面尺寸：圆钢管Φ48×3 角钢∟45×3或∟56×36×3第五节网架结构的杆件和节点
52. 截面设计：按承载力计算截面面积按稳定要求计算长细比λ
53. 网架节点设计与构造要点网架杆件通过节点（焊接钢板节点、焊接空心球节点、螺栓球节点、焊接短钢管节点等）把杆件联系在一起组成空间形体。节点上汇交的杆件数量随网格形式而不同，一般813根，至少有6根。且节点的重量一般为网架总重量的20～25%，所占用钢量的比重较大，因节点破坏而造成工程事故的例子也不少，所以节点设计是关键。
54. 焊接空心球节点空心球可分为不加肋和加肋两种，用圆板经压制成型作成半球，再由两个半球对焊而成。这种节点适用于连接钢管杆件。节点构造是将钢管杆件直接焊接连接于空心球体上，具有自动对中和‘万向’性质。
55. 直径D为120～500mm的焊接空心球其抗压承载力设计值Nc可按下式计算： D ─ 空心球外径（mm）； t ─ 空心球壁厚（mm）； d ─ 钢管外径（mm）； ηc ─ 受压空心球加肋承载力提高系数，加肋ηc=1.4，不加肋ηc=1.0。
56. 直径D为120～500mm的焊接空心球其抗拉承载力设计值Nt可按下式计算： Nt─ 受拉空心球轴向拉力设计值（N）； f ─ 钢材材料强度设计值（N/mm2）； ηt ─ 受拉空心球加肋承载力提高系数，加肋ηt=1.1，不加肋ηt=1.0。
57. 一般空心球外径D=（25～45）t；空心球壁厚t与钢管最大壁厚的比值宜为1.2～2.0；另外，空心球壁厚t不宜小于4mm。在确定空心球外径时，球面上网架相连接杆件与杆件之间的缝隙a不宜小于10mm。空心球直径也可初步按下式估算： D =（d1+ d2+2a）/θ θ─ 汇集于空心球节点任意两钢管杆件间的夹角； d1、d2 ─ 组成θ角的钢管外径；
58. 螺栓球节点由螺栓、钢球、销子（或止紧螺钉）、套筒和锥头或封板组成，适用于连接钢管杆件。
59. 安装过程：将置有高强螺栓的锥头或封板焊在钢管杆件上；在伸出锥头或封板的螺栓上套上套筒，将销子拧入螺栓的滑槽内；拧转套筒，通过销子带动螺栓转动，旋入节点球体螺孔内，此时销子沿滑槽滑动；销子滑至深槽时（螺栓的设计位置），拼装完成。受力特点：安装完毕时，节点上形成自平衡的预应力：螺栓受拉，套筒受压，预应力大小与拧紧程度成正比；网架受荷后，拉杆内力通过螺栓传递，套筒压力逐渐卸荷；压杆内力通过套筒传递，螺栓拉力逐渐卸荷。
60. 螺栓球节点的套筒、锥头和封板采用Q235系列、Q345系列钢材；钢球采用45号钢；螺栓、销子或止紧螺钉采用高强度钢材如45号钢、 40B钢、40Cr钢、 20MnTiB钢等。
61. 钢球按加工成型方式：锻压球和铸钢球。钢球的直径大小要满足拧入球体的任意相邻两个螺栓不相碰条件及套筒接触面满足要求。
62. 螺栓直径一般由网架中最大受拉杆件的内力控制，一个螺栓受拉承载力设计值按下式计算： Nmax≤ Ntb =ψAe ftb Ntb ─ 高强度螺栓的抗拉承载力设计值（N）； ψ─ 螺栓直径对承载力影响系数；当螺栓直径小于30mm时，ψ=1.0；当螺栓直径大于等于 30mm时，ψ=0.93； Ae─ 高强度螺栓的有效截面面积（ mm2）；即螺栓螺纹处和滑槽处有效截面积的较小值； ftb─ 高强度螺栓经热处理后的抗拉强度设计值。
63. 焊接钢板节点焊接钢板节点一般由十字节点板 1 和盖板 2组成，主要用于杆件采用角钢的网架，杆件与节点板的连接可以用焊接，也可以采用螺栓连接。其受力情况与角钢桁架的节点板类似。
64. 支座节点压力支座节点平板压力支座由底板及十字形节点板组成；计算及构造要求同平面钢桁架支座节点；适于小跨度网架。
65. 单面弧形压力支座在支座上部支承板下设弧形支座板，允许微小转动和移动；适于中小跨度网架。
66. 双面弧形压力支座设双向弧形支座，构造复杂；适用于大跨度网架。
67. 球铰压力支座由半球和球形凹槽板组成；构造复杂，抗震性能好；适用于大跨度且带悬伸的四支点或多支点网架。
68. 拉力支座节点平板拉力支座单面弧形拉力支座适于拉力较大、跨度较大的网架；锚栓附近的节点板应加肋。
69. 板式橡胶支座由多层橡胶与薄钢板组成；不仅可以沿切向及法向位移，还可绕两向转动；常用于大跨及中等跨度的网架。
70. 第六节网架的制作与安装网架的制作节点的制作杆件的制作网架的拼装拼装分类分条拼装、分块拼装、整体拼装拼装次序中间→两边、中间→四周下弦→上弦
71. 网架的安装高空散装法分条或分块安装法高空滑移法整体吊装法整体提升法整体顶升法

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