2.网架结构(下).ppt

大跨空间结构大跨空间结构之之2.网架结构 (下下)Plate-like Space Truss主讲人：钱宏亮主讲人：钱宏亮 1/862.3 网架结构分析网架结构分析2.3.1 荷载作用荷载作用2.3.2 有限元分析方法有限元分析方法2.3.3 几何不变性分析几何不变性分析2/861永久荷载永久荷载（1）自重（）自重（2）屋面（）屋面（3）吊顶）吊顶(4)设备管道设备管道2可变荷载可变荷载（1）屋面活载（）屋面活载（2）屋面雪荷载（）屋面雪荷载（3）风荷载）风荷载（4）积灰荷载（）积灰荷载（5）吊车荷载）吊车荷载3.温度应力温度应力4.地震作用地震作用（水平，竖向）（水平，竖向）2.3.1 荷载作用荷载作用3/86 补充说明补充说明1 1）双层网架自重估算）双层网架自重估算qw 除网架自重外的荷载标准值除网架自重外的荷载标准值（kN/m2）L 网架的短向跨度（网架的短向跨度（m）网架节点自重一般占网架总重的网架节点自重一般占网架总重的20%-25%20%-25%。网架杆件自重随跨度变化网架杆件自重随跨度变化 网架自重（网架自重（kg/m2）4/862 2）网架屋面自重估算）网架屋面自重估算轻（金属）屋面：轻（金属）屋面：0.3kN/m2保温玻璃屋面：保温玻璃屋面：1.0kN/m2重屋面：重屋面：约约1.5kN/m23 3）雪荷载）雪荷载雪荷载与屋面活荷载不雪荷载与屋面活荷载不同时考虑，取大值；同时考虑，取大值；应考虑雪荷载的应考虑雪荷载的不均匀不均匀分布分布5/864 4）温度应力）温度应力n对于两端固定的杆件，每变化对于两端固定的杆件，每变化1引起的温度应力约引起的温度应力约为为2.5N/mm2n对于可自由变形的杆件，每变化对于可自由变形的杆件，每变化1引起的温度变形引起的温度变形为为1.210-5L钢结构的温度应力为：钢结构的温度应力为：钢材的线膨胀系数，钢材的线膨胀系数，1.210-5/E 钢材的弹性模量，钢材的弹性模量，2.06105 N/mm2温度应力与温度应力与支座约束密支座约束密切相关。切相关。6/86n温度变化范围是指温度变化范围是指施工安装完毕施工安装完毕时的气温与时的气温与当地常年当地常年最高最高或或最低气温最低气温之差。之差。n网架网架支承平面弦件支承平面弦件的温度应力大于非支承平的温度应力大于非支承平面杆件，面杆件，边缘区域边缘区域的杆件大于中间区域。的杆件大于中间区域。7/86符合下列条件之一者，可不考虑温度应力：符合下列条件之一者，可不考虑温度应力：1.支座节点的构造支座节点的构造允许网架侧移允许网架侧移，且允许侧移值大于或，且允许侧移值大于或等于网架温度变形值；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网架周边支承、网架验算方向跨度小于40m，且支承结，且支承结构为构为独立柱独立柱；3.在单位力作用下，柱顶位在单位力作用下，柱顶位移值移值大于或等于下式计算值：大于或等于下式计算值：Am 支承平面弦杆截面积算数平均值（支承平面弦杆截面积算数平均值（mm2）系数，正交正放系数，正交正放=1.0，正交斜放，正交斜放=1.414，三向，三向=2.08/86既允许温度变形又能有效抵抗侧向力既允许温度变形又能有效抵抗侧向力的支座设置的支座设置9/86单向滑动支座单向滑动支座板式橡胶支座板式橡胶支座10/865 5）地震作用）地震作用n频谱相当密集频谱相当密集 （需考虑多振型组合）（需考虑多振型组合）n可分为水平振型与竖向振型两类，一般竖向分量大可分为水平振型与竖向振型两类，一般竖向分量大n各种不同类型网架的竖向振型曲面基本上相似各种不同类型网架的竖向振型曲面基本上相似 n不同类型但具有相同跨度的网架基本周期比较接近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：11/86网架地震分析可采用网架地震分析可采用振型分解反应谱法振型分解反应谱法或或时程分析法时程分析法采用振型分解反应谱法时，宜至少采用振型分解反应谱法时，宜至少取前取前1015个振型；个振型；采用时程分析法时，应选用不少于两组的采用时程分析法时，应选用不少于两组的实际强震记录实际强震记录和和一组一组人工模拟加速度时程曲线人工模拟加速度时程曲线；应考虑应考虑支承结构支承结构对网架受力的影响，对网架受力的影响，1）进行整体建模分）进行整体建模分析；析；2）把支承结构简化为弹性支座分析；）把支承结构简化为弹性支座分析；在抗震设防烈度为在抗震设防烈度为8度的地区，对于周边支承的中小跨度度的地区，对于周边支承的中小跨度网架，应进行网架，应进行竖向抗震验算竖向抗震验算；对于；对于9度地区或其他类型网度地区或其他类型网架，均应进行架，均应进行竖向和水平抗震验算竖向和水平抗震验算。12/862.3.2 有限元分析方法有限元分析方法一、基本假定一、基本假定1.1.节点为铰接，杆件只承受轴力节点为铰接，杆件只承受轴力2.2.按小挠度理论计算按小挠度理论计算3.3.按弹性方法分析按弹性方法分析 网架是一种空间杆系结构，节点连接可假定为铰网架是一种空间杆系结构，节点连接可假定为铰接，忽略节点刚度的影响。接，忽略节点刚度的影响。应注意在实际应注意在实际构造中符合这构造中符合这些假定。些假定。13/861.1.平板平板模型模型2.2.梁系梁系模型模型3.3.铰接铰接杆系模型杆系模型计算模型计算模型分析方法分析方法a.a.微分方程解法微分方程解法b.b.差分法差分法d.d.有限元法有限元法二、网架结构计算模型和分析方法二、网架结构计算模型和分析方法空间桁架位移法空间桁架位移法14/86空间桁架位移法计算流程图空间桁架位移法计算流程图 15/86三、网架结构分析流程三、网架结构分析流程结构几何建模赋材料属性赋杆件截面初值结构受力分析添加边界条件施加荷载结构性能评价N杆件、节点设计Y（内力、位移）（内力、位移）（静力、动力、稳定）（静力、动力、稳定）16/86网架为多次超静定结构，截面调整将引起内力重分布网架为多次超静定结构，截面调整将引起内力重分布 补充说明补充说明l 竖杆内力：0.58Fl 斜杆内力：0.29Fl 竖杆内力：0.72Fl 斜杆内力：0.18Fl 竖杆内力：0.93Fl 斜杆内力：0.05F 因此并非循环因此并非循环次次数越多越好数越多越好，原则上原则上两次截面相差两次截面相差不超过不超过5%5%即可（通常即可（通常3-43-4次）次）。17/862.3.3 几何不变性分析几何不变性分析 用用用用程程程程序序序序计计计计算算算算时时时时，如如如如出出出出现现现现挠挠挠挠度度度度特特特特别别别别大大大大等等等等不不不不合合合合理理理理情情情情况况况况，则则则则该该该该网网网网架架架架有有有有可可可可能能能能为为为为几几几几何何何何可可可可变变变变。此此此此时时时时，应应应应对对对对网架进行几何不变性分析。网架进行几何不变性分析。网架进行几何不变性分析。网架进行几何不变性分析。试判断以下网格结构的几何不变性18/86 网架几何不变的必要条件网架几何不变的必要条件网架几何不变的必要条件网架几何不变的必要条件 对对对对于于于于具具具具有有有有J J个个个个节节节节点点点点mm根根根根杆杆杆杆件件件件的的的的网网网网架架架架，支支支支承承承承于于于于有有有有r r根连杆的支座上时，其几何不变的必要条件为：根连杆的支座上时，其几何不变的必要条件为：根连杆的支座上时，其几何不变的必要条件为：根连杆的支座上时，其几何不变的必要条件为：m m+r r-3-3J J 0 0 当当当当 =0 0时为静定结构时为静定结构时为静定结构时为静定结构 当当当当 0 0 时为超静定结构时为超静定结构时为超静定结构时为超静定结构 当当当当 010mm 管间夹角，管间夹角，radt tb b =D D/(25/(2545)45)t tb b=(1.5=(1.52.0)2.0)t tpmaxpmax t tb b 4mm4mm直径：直径：壁厚：壁厚：41/86 当空心球直径为当空心球直径为120900mm时，其受压和受拉承载时，其受压和受拉承载力设计值力设计值NR可按下式计算：可按下式计算：D 空心球外径（空心球外径（mm）d 主钢管杆件的外径（主钢管杆件的外径（mm）f 钢材的抗拉强度设计值（钢材的抗拉强度设计值（N/mm2）当空心球直径大于当空心球直径大于500mm500mm时，乘时，乘0.90.9折减；折减；设加劲肋时，受压提高设加劲肋时，受压提高1.41.4倍，受拉提高倍，受拉提高1.11.1倍。倍。2 2、空心球节点承载力计算、空心球节点承载力计算tdfDdNRp p)54.029.0(+=42/86思考：如何提高焊接空心球的抗压承载力?球内灌浆球内灌浆 钢管穿通钢管穿通 加平行双肋加平行双肋 十字肋十字肋 43/862 2）加劲肋的设置）加劲肋的设置 1 1）钢管与球的连接）钢管与球的连接 3 3、空心球节点连接构造、空心球节点连接构造要求焊缝与钢管等强要求焊缝与钢管等强开坡口，留缝隙；开坡口，留缝隙；管壁大于管壁大于4mm4mm时，加衬管时，加衬管球径大于球径大于300mm300mm宜设肋，宜设肋，大于大于500mm500mm应设肋应设肋肋板应设在主杆平面内肋板应设在主杆平面内肋板厚度不小于球壁厚肋板厚度不小于球壁厚44/864 4、空心球节点设计步骤、空心球节点设计步骤1）估算空心球直径；）估算空心球直径；2）按构造要求确定空心球壁厚；）按构造要求确定空心球壁厚；3）按公式核算空心球的承载能力；）按公式核算空心球的承载能力；4）进行杆件与空心球焊缝连接设计。）进行杆件与空心球焊缝连接设计。注意：为简化施工，需将外径相近的空心球进行规格归并。注意：为简化施工，需将外径相近的空心球进行规格归并。45/86例题：例题：某四角锥网架焊接空心球下弦中间节点的某四角锥网架焊接空心球下弦中间节点的设计。己知：钢球及杆件所用材料均为设计。己知：钢球及杆件所用材料均为Q235,钢钢焊条为焊条为E43型焊条型焊条,手工焊接。手工焊接。5959170.95kN 170.95kN 球体球体 80803.53.5 80803.5 3.5 60602 2 60602 2137.76kN137.76kN 19.18kN 19.18kN 15.01kN 15.01kN 46/86 空心球外径的确定空心球外径的确定 己知腹杆与下弦杆轴线间的夹角为己知腹杆与下弦杆轴线间的夹角为=59：本题取空心球外径本题取空心球外径=180mm。D300mm，不需加肋。，不需加肋。1）空心球的设计与计算）空心球的设计与计算 空心球壁厚的确定空心球壁厚的确定 根据构造要求根据构造要求,空心球壁厚应满足如下条件：空心球壁厚应满足如下条件：t=(1/251/45)D=47.2mm；t=(1.52.0)tpmax=4.27.0mm；且；且 t 4mm；参照上述结果取参照上述结果取t=6mm。47/86 空心球承载力验算空心球承载力验算 钢管与空心球连接焊缝的计算钢管与空心球连接焊缝的计算 下弦杆下弦杆腹杆与空心球的连接，均采用腹杆与空心球的连接，均采用完全焊透的坡完全焊透的坡口对接焊缝口对接焊缝，此时视焊缝与母材等强度，不必进行焊，此时视焊缝与母材等强度，不必进行焊缝强度计算。缝强度计算。48/86三、螺栓球节点设计与构造三、螺栓球节点设计与构造1 1、球体尺寸、球体尺寸 大小取决于螺栓的直径、相邻杆件的夹角和螺栓大小取决于螺栓的直径、相邻杆件的夹角和螺栓伸入球体的长度等因素。伸入球体的长度等因素。条件条件1:相邻套筒接触面不相碰相邻套筒接触面不相碰 两相邻螺栓的较大直径（两相邻螺栓的较大直径（mmmm）；）；两相邻螺栓的较小直径（两相邻螺栓的较小直径（mmmm）；）；套筒直径与螺栓直径之比，取套筒直径与螺栓直径之比，取1.81.8dlbdsb49/86螺螺栓栓拧拧入入球球体体长长度度与与螺栓直径的比值，取螺栓直径的比值，取1.11.1条件条件2:相邻螺栓不相碰相邻螺栓不相碰50/86条件条件3:1.5h，或室内隐蔽钢结构，或室内隐蔽钢结构，应选用应选用厚涂型结构防火涂料；厚涂型结构防火涂料；3）露天钢结构，）露天钢结构，必须选用适合室外使用的防火涂料。必须选用适合室外使用的防火涂料。72/86工程实例工程实例国家体育馆国家体育馆除锈等级除锈等级:Sa2粗糙度粗糙度:Rz40-70 m底漆：水性无机富锌涂料底漆：水性无机富锌涂料 75m中间漆：环氧云铁中间漆：环氧云铁 100m薄型或超薄型防火涂料薄型或超薄型防火涂料面漆：丙烯酸改性聚硅氧烷面漆：丙烯酸改性聚硅氧烷 50m注意：注意：防火涂料应与构件的防火涂料应与构件的防锈涂装有良好的防锈涂装有良好的相容性相容性。73/862.5 网架结构施工网架结构施工2.5.1 网架制作与拼装网架制作与拼装2.5.2 网架安装方法网架安装方法2.5.3 安装质量控制安装质量控制74/862.5.1 网架制作与拼装网架制作与拼装(1)(1)钢钢管管与与钢钢管管的的对对接接焊焊缝缝应应为为一一级级，球球管管对对接接焊焊缝缝、钢管与封板（锥头）的对接焊缝应为钢管与封板（锥头）的对接焊缝应为二级二级；75/86(2)(2)杆杆件件接接长长不不得得超超过过一一次次，接接长长杆杆件件数数不不应应超超过过杆杆件件总总数数的的10%10%；杆杆件件的的对对接接焊焊缝缝距距节节点点或或端端头头的的距距离离不得小于不得小于500mm500mm；(3)(3)正式安装前宜进行局部或整体试拼装；正式安装前宜进行局部或整体试拼装；(4)(4)要要选选择择合合理理的的焊焊接接工工艺艺，焊焊接接顺顺序序应应从从中中间间开开始始，向两端或向四周延伸。向两端或向四周延伸。(5)(5)为为保保证证网网架架几几何何尺尺寸寸，减减少少累累积积误误差差影影响响，网网架架拼拼装装方方向向也也很很重重要要，一一般般情情况况下下都都是是从从中中间间开开始始，向外扩展。但也可从一端向另一端进行。向外扩展。但也可从一端向另一端进行。76/861.1.高空散装法高空散装法高空散装法高空散装法2.2.分条（分块）吊装法分条（分块）吊装法分条（分块）吊装法分条（分块）吊装法3.3.高空滑移法高空滑移法高空滑移法高空滑移法4.4.整体提升法整体提升法整体提升法整体提升法 安装方法选择的好坏将直接影响结构的施工安装方法选择的好坏将直接影响结构的施工质量、施工安全、施工工期和施工费用。质量、施工安全、施工工期和施工费用。常用的施工方法有：常用的施工方法有：2.5.2 网架安装方法网架安装方法高空拼装就位高空拼装就位地面拼装、高空就位地面拼装、高空就位77/86将将杆杆件件和和节节点点（或或小小拼拼单单元元）直直接接在在设设计计位位置置拼拼装成整体。适用于螺栓连接网架。装成整体。适用于螺栓连接网架。一、高空散装法一、高空散装法78/86u总拼顺序选择总拼顺序选择(a)(a)由中间向两边发展；由中间向两边发展；(b)(b)由中间向四周发展；由中间向四周发展；(c)(c)由四周向中间发展（形成封闭圈）由四周向中间发展（形成封闭圈）总拼顺序示意图总拼顺序示意图u优缺点优缺点（1 1）不需大型起重设备）不需大型起重设备,对场地要求不高；对场地要求不高；（2 2）需搭设大量拼装支架）需搭设大量拼装支架,高空作业多。高空作业多。79/86将将屋屋盖盖划划分分为为若若干干单单元元，在在地地面面拼拼装装成成条条状状或或块块状状组组合合单单元元体体，用用起起重重设设备备垂垂直直提提升升到到设设计计位置，拼装成整体网架结构的安装方法。位置，拼装成整体网架结构的安装方法。二、分条（分块）吊装法二、分条（分块）吊装法80/86（1 1）减减少少高高空空拼拼装装量量，有有利利于于提提高高工工程程质质量量，加加快快工工程程进度，并可省去大部分拼装支架；进度，并可省去大部分拼装支架；（2 2）分分条条(块块)单单元元的的重重量量与与现现场场起起重重设设备备相相适适应应，有有利利于降低成本；于降低成本；（3 3）应注意条）应注意条(块块)状单元制作精度和具有足够刚度。状单元制作精度和具有足够刚度。u 优缺点优缺点 适用于分割后刚度和受力状况改变较小的网架结适用于分割后刚度和受力状况改变较小的网架结构。每个单元的重量以现有起重机能胜任为准。构。每个单元的重量以现有起重机能胜任为准。u适用范围适用范围81/86将将网网架架条条状状单单元元组组合合体体在在建建筑筑物物上上空空进进行行水水平平滑滑移移对对位位总总拼拼的的一一种种施施工工方方法法。适适用用于于必必须须跨跨越越施施工或场地狭窄、起重运输不便等情况。工或场地狭窄、起重运输不便等情况。三、高空滑移法三、高空滑移法82/86(1)(1)单条滑移法单条滑移法 滑移滑移就位就位拼装拼装(2)(2)逐条积累滑移法逐条积累滑移法 滑移滑移拼装拼装滑移滑移就位就位u高空滑移法分类高空滑移法分类(a)(a)单条滑移法；单条滑移法；(b)(b)逐条累积滑移法逐条累积滑移法高空滑移法示意图高空滑移法示意图83/86将将网网架架在在地地上上拼拼装装成成整整体体，然然后后利利用用起起重重机机、千斤顶等设备提升至设计标高，就位。千斤顶等设备提升至设计标高，就位。四、整体提升法四、整体提升法84/861 1）高空作业少，易于保证焊接质量；）高空作业少，易于保证焊接质量；2 2）需要起重能力大的设备，吊装技术复杂。）需要起重能力大的设备，吊装技术复杂。u 优缺点优缺点u适用范围适用范围 以以焊焊接接球球节节点点网网架架为为宜宜，尤尤其其是是三三向向网网架架。根根据据提提升升方方式式和和所所用用的的起起重重设设备备不不同同，可可分分为为整整体体吊吊装装、整整体提升和整体顶升法。体提升和整体顶升法。85/86上海游泳馆网架整体提升过程86/86(1)(1)不得在六级及以上风力下进行安装；不得在六级及以上风力下进行安装；(2)(2)应控制施工荷载，严禁超载；应控制施工荷载，严禁超载；(3)(3)支座锚栓的螺纹应受到保护；支座锚栓的螺纹应受到保护；(4)(4)宜在安装完毕、形成整体后再铺屋面板；宜在安装完毕、形成整体后再铺屋面板；(5)(5)网网架架总总拼拼完完成成后后及及屋屋面面工工程程完完成成后后应应分分别别测测量量其其挠度，所测挠度值应不超过设计值的挠度，所测挠度值应不超过设计值的1.151.15倍倍。2.5.3 网架安装网架安装质量控制质量控制87/86(6)(6)对对建建筑筑结结构构安安全全等等级级为为一一级级，跨跨度度40m40m的的公公共共建建筑筑网网架架结结构构，且且设设计计有有要要求求时时，应应按按下下列列项项目目进进行行节点承载力试验：节点承载力试验：焊焊接接球球节节点点应应按按设设计计指指定定规规格格的的球球及及其其匹匹配配的的钢钢管管焊焊接接成成试试件件，进进行行拉拉、压压承承载载力力试试验验，试试验验破破坏坏荷载值荷载值l.6l.6倍设计承载力为合格倍设计承载力为合格。螺螺栓栓球球节节点点应应按按设设计计指指定定规规格格的的球球最最大大螺螺栓栓孔孔螺螺纹纹进进行行抗抗拉拉强强度度试试验验，当当达达到到螺螺栓栓的的设设计计承承载载力力时时，螺孔、螺纹及封板仍完好无损为合格螺孔、螺纹及封板仍完好无损为合格。88/86The End!