平板网架结构08改.ppt

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 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.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，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（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。,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. 屋面板/楼面板（包括连接檩条）,3. 吊顶材料自重,4. 悬挂设备、管道等自重,4.网架结构设计,一、基本荷载,1. 屋面或楼面活荷（一般不上人屋面，0.5kN/m2）,可变荷载,2. 雪荷载（不与活荷同时考虑）,3. 风荷载,4. 积灰荷载,5. 吊车荷载,6. 温度作用,7. 地震作用,4.网架结构设计,二、网架结构温度作用, 网架是超静定结构，在均匀温度场变化作用下，由于杆件不能自由热胀冷缩，杆件内会产生应力，这种应力称为网架的温度应力。温度场变化范围是指施工安装完毕（网架支座与下部结构连接固定牢固）时的气温与当地常年最高或最低气温之差。它的计算方法有采用空间桁架位移法的精确分析法和把网架简化为平面构架的近似分析法, 当温度变化，网架杆件中以支承平面弦杆的温度应力为最大，随着支座法向约束的减弱而减少。当支座法向约束减弱到一定程度后，即可不考虑温度应力的影响(杆件温度应力小于0.05f，可不考虑温度作用)。,1. 网架不考虑温度应力的条件, 网架规程中规定，符合下列条件之一者，可不考虑温度内力： 1、支座节点的构造允许网架侧移时，其值应等于或大于计算值； 2、当周边支承的网架、且网架验算方向跨度小于40m时，支承结构为独立柱或砖壁柱； 3、在单位力作用下，柱顶位移值大于或等于下式计算值：,二、网架结构温度作用,基本原理： 1） 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 2） 而后取消约束，将节点不平衡力反向作用在节点上，用空间桁架位移法求由节点不平衡力引起的杆件内力 3） 最后，将杆件固端内力与由节点不平衡力引起的杆件内力叠加，即求得网架的杆件温度应力,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法,二、网架结构温度作用,E、a分别为钢材的弹性模量和线膨胀系数,Aij ij杆的截面面积,t 温度差（C），以升温为正,1） 因温度变化而引起的杆件固端内力, 当网架所有节点均被约束时，因温度变化而引起ij杆的固端内力为,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法, 同时，杆件对节点产生固端节点力，其大小与杆件的固端内力相同，方向与它相反。设ij杆在i端有杆端内力ptij，则i端的杆端内力在结构坐标系上的分量,pxipyipzi分别为ij杆的I端内力在整体坐标系中的分力,1） 因温度变化而引起的杆件固端内力,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法,2） 节点不平衡力引起的杆件内力,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法, 设与第i节点相连的杆件有m根（下图），则由杆端内力引起的节点不平衡力的分力为：,m相交于节点i上的杆件数, 各节点上的节点不平衡力反向作用在网架各节点上，即建立由节点不平衡力引起的有限元几何体基本方程组，其表达式：,K网架结构总刚度矩阵 U由节点不平衡力引起的节点位移列向量 Pt 作用在网架节点上的不平衡力列向量,2） 节点不平衡力引起的杆件内力,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法, 考虑了边界条件后，解得由节点不平衡力产生的各节点的位移值, ij杆有节点不平衡力引起杆件内力为,2） 节点不平衡力引起的杆件内力,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法,3） 网架杆件的温度应力,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法,架杆件的温度应力由杆件固端内力与由节点不平衡力引起的杆件内力叠加而得，即, 空间桁架位移法与近似法比较，除精度较高外，还可考虑网架各个部位温差不同。这给一些工业厂房因工艺要求对网架各部位取不同温度变化提供计算上可能性,2.网架温度应力的精确计算法：空间桁架位移法,3） 网架杆件的温度应力,杆件的温度应力,4.网架结构设计,三、网架结构地震作用, 地震发生时，由于强烈的地面运动而迫使网架结构产生振动，受迫振动的网架，其惯性作用一般来说是不容忽视的。正是这个由地震引起的惯性作用使网架结构产生很大的地震内力和位移，从而有可能造成结构破坏或倒塌，或者失去结构工作能力。因此在地震设防区必须对网架结构进行抗震计算。,三、网架结构地震作用, 多自由度体系无阻尼自由振动运动方程为,1 自振特性, 可得到结构体系的3n阶自振频率和3n阶振型。 一般取二十阶最低自振频率进行动力分析即可满足工程设计精度要求。 多采用子空间迭代法来计算网架结构的前数阶低频的自振频率和相应的振型。 节点凝聚质量采用重力荷载代表值。,K=2M,三、网架结构地震作用,1 自振特性自振频率和振型的特点, 频谱相当密集 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,三、网架结构地震作用, 网架在地震作用时的运动方程为,2 竖向地震反应分析时程分析法,U、 、分别为网架节点在整体坐标系中的位 移、速度和加速度列阵； ug地面运动加速度列阵； M、C、K分别为结构的总质量矩阵、阻尼矩阵 和刚度矩阵,三、网架结构地震作用,2 竖向地震反应分析振型分解反应谱法, 计算网架竖向地震内力时，可以先求出各振型最大地震作用，然后作为静荷载作用于结构，再用空间桁架位移法求各振型竖向地震内力，最后再组合求出地震内力标准值。也可以直接求振型最大位移，然后再计算振型竖向地震内力，最后进行组合。, 振型参与系数j, 是地震影响系数，它综合代表了地震的影响,三、网架结构地震作用,2 竖向地震反应分析振型分解反应谱法, 为动力系数，它反映了结构的最大绝对加速度反应与地面运动最大加速度的关系,三、网架结构地震作用, K为地震系数，它反映了地面运动最大加速度与重力加速度之间的关系,2 竖向地震反应分析振型分解反应谱法, 地震影响系数则为, 对于网架结构的抗震计算首先要求计算结构的竖向地震反应因而需要竖向地震反应谱。目前在抗震计算中一般取竖向反应谱为水平反应谱的1/22/3，在网架结构的竖向地震反应计算中可取2/3,三、网架结构地震作用,2 竖向地震反应分析振型分解反应谱法,三、网架结构地震作用,2 竖向地震反应分析振型分解反应谱法, 可计算出第j阶振型最大位移。 Uj = jj (Tj) 由Uj计算j振型竖向地震内力Rj。, 振型组合有多种不同的方案，其中被认为相对比较合理的方法是“平方和开方”，结构的地震反应,三、网架结构地震作用,3 竖向地震作用（规范实用方法）,G网架节点重力荷载代表值 aj相应于第j振型的地震影响系数 j相应于第j振型并考虑地面运动竖向分量作用时 的振型参与系数, j振型在地面运动竖向分量作用下的最大地震作用,三、网架结构地震作用, 组合得网架的地震作用,3 竖向地震作用（规范实用方法）, i节点上的恒荷载取100；雪荷载及屋面积灰荷载取 50；不考虑屋面活荷载，v为竖向地震作用系数, 将所得地震作用等效反算并简化后，计算作用在网架第i节点上的地震作用标准值,三、网架结构地震作用,3 竖向地震作用（规范实用方法）, 定义地震作用系数：,三、网架结构地震作用,竖向地震作用系数(简化),3 竖向地震作用（规范实用方法）,三、网架结构地震作用, 平面复杂或重要的大跨度网架结构,还是应采用振型分解反应谱法或时程分析法分析和验算。悬挑长度较大的网架屋盖结构以及用于楼层的网架结构，当设防烈度为8度或9度时，其竖向地震作用标准值可分别取该 结构重力荷载代表值的10或20。计算重力荷载代表值时，对一般民用建筑可取楼层活荷裁的50。,3 竖向地震作用（规范实用方法）,4.网架结构设计,四、杆件、节点和支座设计和构造,1 杆件材料和截面形式, 钢材品种主要为Q235钢和Q345钢, 网架杆件的截面形式,a)圆管 b)等肢角钢 c)不等肢角钢 d)单角钢 e)H型钢 f)方管, 圆管截面具有回转半径大和截面特性无方向性等特点，是目前最常用截面形式,圆钢管截面有高频电焊钢管及无缝钢管两种。在设计中应尽量采用高频电焊钢管，较无缝钢管造价便宜且管壁较薄。,四、杆件、节点和支座设计和构造,1 杆件材料和截面形式, 薄壁方管截面具有回转半径大、两个方向回转半径相等的特点，是一种较经济截面，应用还不广泛, H型钢适用受力较大弦杆, 单角钢适用受力较小的腹杆,四、杆件、节点和支座设计和构造,2 杆件的计算长度和容许长细比, 网架杆件计算长度经模型试验和参考平面桁架而确定, 腹 杆 连接形式 弦 杆 支座腹杆 其他腹杆 螺栓球节点 1 1 1 焊接空心球节点 09 09 075 板节点 1 1 08 ,杆件计算长度系数,四、杆件、节点和支座设计和构造,2 杆件的计算长度和容许长细比, 网架杆件的容许长细比做如下规定:,1) 受压杆件 =180 2) 受拉杆件 a)一般杆件 =400 b