平板网架结构(改)

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1、第二部分 平 板 网 架 结 构 Plate-like Space Truss,平板网架结构 Plate-like Space Truss,1.网架结构在中国的发展,1.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）,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 70年代初，辽宁体育馆、上海文化广场,4.80年代初，专业生产网架厂家出现，形成专业化生产,3.1981年，网架结构设计与施工规定颁布，世界 第一个由国家颁发的网架结构技术规范,首都体育馆, 99X112.2m,正交斜放网架，高6m,15X17格，网格尺寸6.6m

2、16Mn钢角钢杆件，板式螺栓节点（高强M22)，65kg/m2,上海万人体育馆, 三向网架，直径110m,外挑2X7.3m,高6m, 网格边长6.28m 16Mn钢钢管杆件，空心球节点，47kg/m2,5.单层工业厂房的大面积应用，网架结构的发展进入新 的阶段。 80年代初，唐山地震灾害重建，唐山齿轮厂联合厂房、唐山机车车辆厂客车总装车间均采用上万米网架结构（具有较好的抗震性能） 90年代初，天津无缝钢管厂管加工车间（60000平方米）、长春第一汽车厂轿车总装厂房（80000平方米）、哈尔滨东安发动机装配车间厂房(60000平方米) 90年代后期，年建设网架100万平方米以上，“网架王国”,1

3、.网架结构在中国的发展,网架结构的优点 空间受力作用，所有杆件均参加工作，具有良好 受力性能 刚度和整体性优于一般平面结构 良好的抗震性能 制作安装方便、工厂化预制，减少现场施工量,网架结构的应用范围 1.体育建筑 2.公共建筑 3.单层工业厂房 4.飞机库 5.加油站 6.收费站 7.其它,平板网架结构 Plate-like Space Truss,2.网架结构的类型与选型,一、网架的类型,1.平面桁架系网架,2.四角锥体系网架,3.三角锥体系网架,2.网架结构的类型与选型：一、网架的类型,1.平面桁架系网架,下弦杆,腹杆,上弦杆,支撑杆, 斜腹杆应布置成使杆件受拉方向比较有利,1.平面桁架

4、系网架,（1）两向正交正放网架, 两向节间应布置成偶数。 支承平面内应设置斜杆，传递水平荷载。,1.平面桁架系网架,（2）两向正交斜放网架, 各榀桁架刚度各异，形成良好空间作用,有角柱,无角柱,1.平面桁架系网架,（3）两向斜交斜放网架, 适用于矩形平面，构造复杂，受力欠佳， 有特殊建筑要求时采用,1.平面桁架系网架,（4）三向网架, 适用跨度较大(L60m),平面为三角形、六边形、多边形和圆形 空间刚度大、受力性能好、支座受力较均匀，节点构造复杂(Nmax=13),1.平面桁架系网架,（5）单向折线形网架,由一系列平面桁架斜交成V形，也可看成正放四角锥网架取消了纵向上下弦杆 单向受力，不需要

5、支撑 周边增设部分联系杆件，增加整体刚度，构成空间结构),2.四角锥体系网架,下弦杆,腹杆,上弦杆,2.四角锥体系网架,（1）正放四角锥网架, 受力均匀，空间刚度大，应用最广,2.四角锥体系网架,（2）正放抽空四角锥网架, 杆件数目少、构造简单、经济效果好 下弦杆件受力不均匀，刚度较小，用于较小跨度、轻屋面、无吊顶,2.四角锥体系网架,（3）斜放四角锥网架, 上弦杆短、下弦杆长、节点构造简单 应用较广泛,2.四角锥体系网架,（4）棋盘形四角锥网架, 斜放四角锥网架水平转动45度 上弦杆短、下弦杆长 周边满锥时，刚度较好 屋面构造简单,2.四角锥体系网架,（5）星形四角锥网架, 上弦杆短、下弦杆

6、长、竖杆受压、内力等于上弦节点荷载 刚度稍差、适用于中小跨度的周边支承,3.三角锥体系网架,3.三角锥体系网架,（1）三角锥网架, 受力均匀，空间刚度大 适用于大中跨度及重屋面的建筑物,3.三角锥体系网架,（2）抽空三角锥网架, 整体刚度较差 适用于中小跨度的轻屋面的建筑物,3.三角锥体系网架,（3）蜂窝形三角锥网架, 节点汇交6根，简化节点构造 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,2.网架结构的类型与选型,二、网架结构的支承,1.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,二、网架结构的支

7、承,1.周边支承, 传力直接、受力均匀，支座支承于柱顶或连梁，最常见,二、网架结构的支承,2.点支承, 受力与无梁楼盖相似,2.点支承,柱帽形式,二、网架结构的支承,3.周边支承与点支承结合, 可有效地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,二、网架结构的支承,4.三边或两边支承, 自由边的存在对网架内力分布和挠度都不利 在飞机库、影剧院、工业厂房、干煤棚等中应用,二、网架结构的支承,5.单边支承, 受力与悬挑板相似 多用于挑篷结构,二、网架结构的支承,网架支承位置,(A)上弦支承,(B)下弦支承,(C)混合支承,(D)下弦支承,2.网架结构的类型与选型,三、网架结

8、构的选型, 网架的选型应根据建筑平面形状和跨度大小、支承方式、荷载大小、屋面构造和材料、制作方法等方面因综合确定, 矩形平面、周边支承：长宽比小于或等于1.5时，宜选用斜放四角锥、棋盘形四角锥、正放抽空四角锥网架，也可以考虑两向正交斜放网架，两向正交正放网架。, 正放四角锥网架钢量较其他网架高，但杆件标准化程度比其他网架好，目前采用较多。对于中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形三角锥网架。, 当边长比大于1.5时，宜先用两向正交正放网架，正放四角锥网架和正放抽空四角锥网架。当平面狭长时，可采用单向折线形网架。,2.网架结构的类型与选型,三、网架结构的选型, 对于平面形状为矩形、点支承情况，

9、宜采用两向正交正放网架，正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架。, 对于平面形状为圆形、多边形等，宜采用三向网架，三角锥网架，抽空三角锥网架。, 对于大跨度建筑，实际工程的经验证明，三角锥网架和三向网架其耗钢量反而比其他网架省。, 对于矩形平面，三边支承或二边支承情况，只要对开口边进行处理，即可按四边支承情况选用网架形式。开口边有两种处理方法，一是将整个网架的高度适当增高，开口边杆件的截面加大，使网架整体刚度得到改善；另一种方法是在其开口边局部增加网架层数。,2.网架结构的类型与选型,四、网架高度和网格尺寸, 网架高度与 （1）屋面荷载和设备尺寸；（2）平面形状；（3）支承条件；（4）建筑尺寸要求

10、（包括跨度）等因素有关 网格尺寸取决于屋面材料的选用，若屋面采用无檩体系，即采用钢丝网水泥板或带肋钢筋混凝土屋面板，网格尺寸不宜超过4m，否则屋面板将很笨重；如采用有檩体系，受檩条经济跨度影响，网格尺寸不宜超过6m。 网格尺寸（s）与网架高度（h)有密切关系，s/h之比越大，斜腹杆与上、下弦平面夹角越小，通常应使斜腹杆与弦杆夹角为40 55 。网格尺寸和网架高度都与网架跨度、支承情况、建筑平面、屋面材料、荷载大小等因素有关。,2.网架结构的类型与选型,四、网架高度和网格尺寸,网架的上弦网格数和跨高比（优化结果）,2.网架结构的类型与选型,五、网架的整体构造,1.网架屋面排水坡的形成,(A)网架

11、整体起拱,(B)网架变高度,(C)设短柱支托,设短柱支托构造简单，是采用较多的找坡方法,五、网架的整体构造,2.网架容许挠度与起拱度, 网架结构作屋盖时，f=L/250,L为短向跨度, 网架结构作楼盖时，f= L/300,L为短向跨度, 网架起拱造成网架制作复杂，一般网架可不起拱，要 求起拱时，拱度f=L/300, L为短向跨度,平板网架结构 Plate-like Space Truss,3.网架结构分析,一、网架计算基本假定,1.节点为铰接，杆件只承受轴力,2.按小挠度理论计算,3.按弹性方法分析, 网架是一种空间杆系结构，杆件之间通过铰接节点连接，可忽略节点刚度的影响。仅能承受节点集中荷载

12、。,4.仅承受节点集中荷载,3.网架结构分析与设计,二、网架结构计算模型和分析方法,1. 铰接杆件计算模型,2. 梁系计算模型,3. 平板计算模型,计算模型,分析方法,a. 有限元法,b. 差分法,c. 力法,d. 微分方程解法,二、网架结构计算模型和分析方法,1. 空间桁架位移法。一种铰接杆系结构的有限元分析法，适合计算机应用，是精确方法，是所有方法中计算精度最高的。,2. 交叉梁系梁元法。适用于由平面桁架系组成网架的一种方法，以单元网片等代为梁元，是简化方法中精度较高的一种，误差5%。,3. 交叉梁系力法（两向平面桁架系）， 误差10%-20%。,4. 交叉梁系差分法（平面桁架系或正放四角

13、锥），误差10%-20%。,5. 混合法（平面桁架系组成的网架，适合40m以下），误差0%-10%。,6. 假想弯矩法（斜放四角锥及棋盘四角锥，适合中小跨度）， 误差15%-30%。,7. 网板法（正放四角锥）， 误差10%-20%。,8. 下弦内力法（计算蜂窝形三角锥网架）， 误差0-5%。,9. 拟板法（平面桁架系及由角锥体组成的网架），误差10%-20%。,10. 拟夹层板（适合40m以下网架）， 误差5%-10%。,二、网架结构计算模型和分析方法,3.网架结构分析与设计,三、空间桁架位移法,1. 基本方程及单元刚度矩阵,(A) 杆件节点线位移,(B) 杆件节点力,单元局部坐标系中基本方

14、程,三、空间桁架位移法,局部坐标单元刚度矩阵,坐标转换,三、空间桁架位移法,转换矩阵,三、空间桁架位移法,方向余弦,整体坐标系中基本方程,三、空间桁架位移法,整体坐标单元刚度矩阵,三、空间桁架位移法,三、空间桁架位移法,有限元集合体的基本方程组,K网架结构总体刚度矩阵；,U网架结点在整体坐标系中位移列阵；,P在整体坐标系中网架的外荷载列阵；, 支座约束类型：自 由 弹性约束 固定约束 强迫位移,3.网架结构分析与设计,四、边界条件, 结构在整体坐标系中的总刚度K是奇异的，尚需引入边界条件以消除刚体位移。根据边界条件来修正总刚度矩阵以使总刚度矩阵成为正定阵,四、边界条件, 弹性约束：在某自由度i

15、方向有弹性约束且弹簧刚度系数为si，将弹簧刚度系数si叠加到总刚度矩阵中相应自由度方向的主元kii上即可；, 固定约束或强迫位移：在某自由度i方向有强迫位移i，将总刚度矩阵中相应自由度方向的主元kii乘以一个充分大的数R，R为1081012； ki1U1+ki2U2+kiiRUi+kinUn=kiiR i,五、内力计算及平衡算核,Nij为杆件内力，受拉为正、受压为负，方向与局部坐标系的x轴方向一致,3.网架结构分析,若j为支座结点，则Rj为支座反力，否则Rj 应为零（以此进行校核）, 计算了每个杆件内力Nij后，可求出每个结点按静力平衡条件求结点不平衡力向量Rj。设共有s个杆件汇交于结点j，其中有r个杆件，其局部坐标x轴指向结点j，而其余q个杆件其局部坐标x轴的正向背离结点j。于是结点j的不平衡力向量Rjx，,五、内力计算及平衡算核,六、结构重分析及收敛条件,循环n次，两次截面改变数量相差不超过杆件总数的5%即可（通常n为3-4次）, 网架结构为多次超静定结构，需假想结构初始截面,平板网架结构 Plate-like Space Truss,4.网架结构设计,二、网架结构温度作用,三、网架结构地震作用,一、基本荷载,四、杆件、节点和支座设计和构造,五、网架制作与安装,4.网架结构设计,一、基本荷载,1. 网架自重（程序自动计算）,永久荷载,2. 屋