网架结构概述课件

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1、网架结构概述第第1章章 网架结构概述网架结构概述1.1 综述综述1.1.1 网格结构与网架网壳结构定义网格结构与网架网壳结构定义多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结多根杆件按照某种规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构。构。网架结构概述1.1.2 网架结构优越性网架结构优越性（1）空间工作，传力途径简捷）空间工作，传力途径简捷（2）经济指标好（跨度越大越明显）经济指标好（跨度越大越明显）（3）抗震性能好）抗震性能好（4）施工安装简便）施工安装简便（5）杆件节点便于定型化、商品化）杆件节点便于定型化、商品化（6）平面布置灵活，屋盖平整，利于吊顶、安装管道设备等）平面布置灵活，

2、屋盖平整，利于吊顶、安装管道设备等近三四十年的得到快速发展：近三四十年的得到快速发展：（1）社会发展的需求（各体育场馆等）社会发展的需求（各体育场馆等）（2）计算机技术的发展）计算机技术的发展（3）标准化生产）标准化生产网架结构概述1.1.3 国内外网架结构应用概况国内外网架结构应用概况1964年第年第1幢平板网架结构幢平板网架结构上海师范学院球类房屋盖上海师范学院球类房屋盖1996年年首都机场四机位维修机库首都机场四机位维修机库2008北京奥运会中标方案北京奥运会中标方案鸟巢（鸟巢（340mX290m，140mX70m 后改为后改为180mX120m,24根立体桁架柱）根立体桁架柱）网架结构

3、概述图2.16 维修机库计算模型网架结构概述 国家体育场建筑体形上像鸟巢可容纳国家体育场建筑体形上像鸟巢可容纳8万人。体育场建筑造型呈椭圆的马鞍万人。体育场建筑造型呈椭圆的马鞍形，外壳由形，外壳由4.2 万吨钢结构有序编织成鸟巢状独特的建筑造型。建筑物南北向万吨钢结构有序编织成鸟巢状独特的建筑造型。建筑物南北向（长轴）长（长轴）长340米，东西向（短轴）长米，东西向（短轴）长280米，屋盖中间设米，屋盖中间设185.3米米127.5米开米开口。内部为三层混凝土结构碗状看台，钢结构屋顶上层为口。内部为三层混凝土结构碗状看台，钢结构屋顶上层为4.2 万平方米，万平方米，ETFE 单层张拉膜，下层为

4、膜声学吊顶。单层张拉膜，下层为膜声学吊顶。整体承重结构由一系列门式刚架绕着内环旋转而成，形成一种三维空间承重整体承重结构由一系列门式刚架绕着内环旋转而成，形成一种三维空间承重体系。每一榀刚架由高体系。每一榀刚架由高12米的屋盖桁架和三角形桁架柱组成，均采用加肋薄壁米的屋盖桁架和三角形桁架柱组成，均采用加肋薄壁箱形截面。为了形成鸟巢效果主桁架上弦上还设有交叉的次要构件，也采用箱箱形截面。为了形成鸟巢效果主桁架上弦上还设有交叉的次要构件，也采用箱形截面，总用钢量现已优化到形截面，总用钢量现已优化到4.2万吨。万吨。网架结构概述合肥新桥国际机场航站楼长合肥新桥国际机场航站楼长860米，宽米，宽161

5、米，地上层，局部地下一层，属于米，地上层，局部地下一层，属于超长建筑。为解决混凝土结构温度影响，沿航站楼纵向设置道伸缩缝，将整超长建筑。为解决混凝土结构温度影响，沿航站楼纵向设置道伸缩缝，将整个结构划分为个温度区段个结构划分为个温度区段 屋盖体系为大跨钢结构，与下部混凝土结构固接或直接固结于基础上，中部由屋盖体系为大跨钢结构，与下部混凝土结构固接或直接固结于基础上，中部由最多根室内钢柱支撑，形成横向平面钢框架。跨度大的部分采用立体桁架；最多根室内钢柱支撑，形成横向平面钢框架。跨度大的部分采用立体桁架；跨度小的部分直接采用箱形梁柱形式。为保证结构纵向刚度，沿纵向设置联系跨度小的部分直接采用箱形梁

6、柱形式。为保证结构纵向刚度，沿纵向设置联系桁架、水平支撑，并设置了必要的柱间支撑。航站楼钢结构部分不设缝，对应桁架、水平支撑，并设置了必要的柱间支撑。航站楼钢结构部分不设缝，对应下部伸缩缝处，结构构件连接采用抗震滑动支座处理。下部伸缩缝处，结构构件连接采用抗震滑动支座处理。网架结构概述1.2 网架结构的形式与选型网架结构的形式与选型1.2.1 网架结构的形式与分类网架结构的形式与分类根据组成：根据组成：（1）平面桁架系（基本单元：网片）平面桁架系（基本单元：网片）两向正交正放两向正交正放 两向正交斜放两向正交斜放 两向斜交斜放（多用于两方向边界柱距不等情况）两向斜交斜放（多用于两方向边界柱距不

7、等情况）三向网架三向网架 网架结构概述网架结构概述(2)由四角锥体组成（基本单元：由四角锥体组成（基本单元：4根弦杆、根弦杆、4根斜杆构成根斜杆构成正四角锥体）正四角锥体）正放正放四角锥四角锥 正放抽空四角锥正放抽空四角锥 斜放四角锥（上弦杆短，下弦杆长）斜放四角锥（上弦杆短，下弦杆长）棋盘形四角锥棋盘形四角锥 星形四角锥星形四角锥 单向折线形单向折线形 网架结构概述网架结构概述(3)三角锥体组成（基本单元：三角锥体组成（基本单元：3根弦杆、根弦杆、3根斜杆构成正根斜杆构成正三角锥体，即四面体）三角锥体，即四面体）三角锥三角锥 抽空三角锥抽空三角锥1型型 抽空三角锥抽空三角锥2型型 蜂窝型三角

8、锥（杆件和节点数最少）蜂窝型三角锥（杆件和节点数最少）网架结构概述网架结构概述（4）由六角锥体组成）由六角锥体组成（基本单元：（基本单元：6根弦杆、根弦杆、6根斜杆构根斜杆构成正六角锥体，即七面体）成正六角锥体，即七面体）上弦：三角形网格（节点：上弦：三角形网格（节点：6根上弦杆，根上弦杆，6根斜杆）根斜杆）下弦：六边形网格（节点：下弦：六边形网格（节点：3根下弦杆，根下弦杆，3根斜杆）根斜杆）网架结构概述1.2.2 网架结构选型网架结构选型施工的方便性：施工的方便性：平面桁架类制作方便（焊接）；分条分块吊装不需平面桁架类制作方便（焊接）；分条分块吊装不需增设临时支承增设临时支承正交正放类正交

9、正放类用钢量：用钢量：周边支承且平面接近正方形，斜放四角锥、棋盘四角锥省。周边支承且平面接近正方形，斜放四角锥、棋盘四角锥省。多点支承、三边支承一边开口，用正交正放类。多点支承、三边支承一边开口，用正交正放类。刚度：刚度：杆件、节点数较多的网架，刚度优。杆件、节点数较多的网架，刚度优。跨度：跨度：60m，大跨度。大跨度网架多用平面桁架，大跨度。大跨度网架多用平面桁架类。类。多边形、圆形平面：多边形、圆形平面：三向网架、三角锥类网架，杆件规整。三向网架、三角锥类网架，杆件规整。网架结构概述1.3 网架结构设计一般原则网架结构设计一般原则1.3.1 网架的高跨比、格跨比网架的高跨比、格跨比根据大、

10、中、小跨度采用经验参考值（表格）根据大、中、小跨度采用经验参考值（表格）网架短向跨度的上弦网格数不宜少于网架短向跨度的上弦网格数不宜少于6个个1.3.2 起拱与起坡起拱与起坡网架本身最好不起拱、不起坡（起拱网架本身最好不起拱、不起坡（起拱1/300L2，可不计，可不计算）算）起坡：小立柱、网架变高度、整个网架起坡、支承柱边起坡：小立柱、网架变高度、整个网架起坡、支承柱边高度高度网架结构概述1.3.3 柱帽设置柱帽设置多用于多点支承（减小计算跨度、柱周围杆件内力分散）多用于多点支承（减小计算跨度、柱周围杆件内力分散）1.3.4 悬臂长度悬臂长度主要与跨度有关，多点支承，使跨中弦杆内力、挠度减主要

11、与跨度有关，多点支承，使跨中弦杆内力、挠度减小小网架结构概述1.3.5 网架水平支撑网架水平支撑传递水平荷载（风力、传递水平荷载（风力、水平地震）水平地震）四柱支承、四柱支承、周边上承式两向正交正放网架周边上承式两向正交正放网架网架结构概述1.3.6 再分杆设置再分杆设置网架上弦杆有集中荷载或需要减小压杆计算长度网架上弦杆有集中荷载或需要减小压杆计算长度注意：只减小平面内注意：只减小平面内l0，平面外需要设檩条，平面外需要设檩条工程事故：工程事故：P12网架结构概述1.3.7 网架自重估算（网架自重估算（kN/m2）1.3.8 网架挠度限值网架挠度限值 1/250L2（楼层（楼层1/300L2

12、），与平面桁架相比可放宽），与平面桁架相比可放宽 2200wLgg 2(0.06 0.08)gL网架结构概述1.3.9 杆件设计杆件设计强度和稳定控制。采用普通型钢或薄壁型钢，高频焊管强度和稳定控制。采用普通型钢或薄壁型钢，高频焊管或无缝管（有最小尺寸要求）或无缝管（有最小尺寸要求）网架杆件计算长度 l 0 节点形式 杆件类型 螺栓球节点 焊接球节点 板节点 弦杆及支座腹杆 l 0.9 l l 腹杆 l 0.9 l 0.8 l 网架杆件容许长细比 受拉杆件 杆件类别 受压杆件 承受静力荷载 直接承受动力荷载 一般杆件 350 支座附近杆件 180 250 350 250网架结构概述1.3.10

13、 焊接空心球节点焊接空心球节点构造要求：构造要求：直径直径160mm900mm，受拉、受压承载力设计值，受拉、受压承载力设计值(0.300.57)RddNtdfD 网架结构概述1.3.11 螺栓球节点（西德专利产品）螺栓球节点（西德专利产品）受拉传力路线：杆件、锥头、螺栓、钢球受拉传力路线：杆件、锥头、螺栓、钢球受压传力路线：杆件、锥头、套筒、钢球受压传力路线：杆件、锥头、套筒、钢球网架结构概述1.4 各类派生的新型网架结构各类派生的新型网架结构1.4.1 组合网架结构组合网架结构钢筋混凝土面板代替上弦杆钢筋混凝土面板代替上弦杆1.4.2 杂交网架结构杂交网架结构 预应力网架（网架下弦平面内设

14、置预应力索）预应力网架（网架下弦平面内设置预应力索）斜拉网架结构（斜拉桥技术，拉索全方位布置）斜拉网架结构（斜拉桥技术，拉索全方位布置）悬挂网架结构（悬索桥、带吊杆的拱桥技术）悬挂网架结构（悬索桥、带吊杆的拱桥技术）网架结构概述南沙体育馆于南沙体育馆于2008年年12月开工，月开工，2010年年9月竣工。月竣工。2010年广州亚运会武年广州亚运会武术比赛场馆。其外壳的九个曲面单元，单元间片片层叠，并分为南北两术比赛场馆。其外壳的九个曲面单元，单元间片片层叠，并分为南北两组以比赛大厅圆心为中心呈螺旋放射状展开。隐喻了中国武术的最高境组以比赛大厅圆心为中心呈螺旋放射状展开。隐喻了中国武术的最高境界

15、界“阴阳俱合，天人合一阴阳俱合，天人合一”。主体钢结构双层环形主体钢结构双层环形张弦张弦穹顶结构，主跨度达到了穹顶结构，主跨度达到了98米，为目前国内此米，为目前国内此类结构的最大跨度。屋顶设置了大面积的顶天窗及电动遮阳系统，可调类结构的最大跨度。屋顶设置了大面积的顶天窗及电动遮阳系统，可调节大厅内光线的强弱，在平时可利用自然采光进行各种活动，节约能源。节大厅内光线的强弱，在平时可利用自然采光进行各种活动，节约能源。网架结构概述厦门国际会展中心三期大跨厦门国际会展中心三期大跨度屋盖结构采用度屋盖结构采用99米跨度米跨度张弦桁架。张弦桁架。工程所在地风吸力较大，设工程所在地风吸力较大，设计中采用

16、混凝土屋盖作为基计中采用混凝土屋盖作为基层，上覆金属屋面，混凝土层，上覆金属屋面，混凝土屋面作为配重，控制张弦桁屋面作为配重，控制张弦桁架下拉索不会出现松弛。架下拉索不会出现松弛。为保证屋盖整体稳定，沿纵为保证屋盖整体稳定，沿纵向设置向设置4道支撑，纵向支撑道支撑，纵向支撑截面采用倒三角桁架，与张截面采用倒三角桁架，与张弦桁架等高度；屋盖周边上弦桁架等高度；屋盖周边上弦面内布置交叉拉杆，另外弦面内布置交叉拉杆，另外沿纵向在三等分处增设两道沿纵向在三等分处增设两道交叉拉杆。交叉拉杆。为释放张拉过程中的支座摩为释放张拉过程中的支座摩擦力以及使用过程中的温度擦力以及使用过程中的温度应力，张弦桁架与柱

17、连接一应力，张弦桁架与柱连接一端采用铰支座，布置在侧向端采用铰支座，布置在侧向刚度较大的一侧，另一端采刚度较大的一侧，另一端采用单向滑移支座。用单向滑移支座。网架结构概述第第2章章 网架结构的基本理论和分析方法网架结构的基本理论和分析方法2.1 基本假定和计算模型基本假定和计算模型基本假定基本假定：（：（1）节点铰接，杆件只承受轴向力；）节点铰接，杆件只承受轴向力；（2）小挠度理论）小挠度理论 （3）弹性方法分析）弹性方法分析计算模型计算模型：（：（1）铰接杆系（基本单元：每根杆件）铰接杆系（基本单元：每根杆件）（2）桁架系（基本单元：一段桁架）桁架系（基本单元：一段桁架）（3）梁系（先将网架

18、等代为梁系，基本单元：梁段）梁系（先将网架等代为梁系，基本单元：梁段）（4）平板（先将网架等代为平板，基本单元：单层普）平板（先将网架等代为平板，基本单元：单层普通板或夹层板）通板或夹层板）网架结构概述2.2 网架结构分析计算方法概述及其分类网架结构分析计算方法概述及其分类n有限元法（铰接杆元、梁元）有限元法（铰接杆元、梁元）n力法（结构力学）力法（结构力学）n差分法差分法n微分方程解析解法微分方程解析解法n微分方程近似解法（变分法、加权残数法）微分方程近似解法（变分法、加权残数法）4种计算模型与种计算模型与5种分析方法，形成种分析方法，形成10种具体计算方法：种具体计算方法：网架结构概述网架

19、结构概述2.3 网架结构的有限元法网架结构的有限元法空间桁架位移法空间桁架位移法2.3.1 概述概述基本假定：基本假定：（1）节点铰接，杆件只承受轴力，忽略节点刚度的影响；）节点铰接，杆件只承受轴力，忽略节点刚度的影响；（2）网架位移远小于网架厚度，按小挠度理论计算；）网架位移远小于网架厚度，按小挠度理论计算；（3）材料符合虎克定律，按弹性方法分析；）材料符合虎克定律，按弹性方法分析；（4）网架只作用节点荷载，如在杆件上作用有外荷载要等效转化）网架只作用节点荷载，如在杆件上作用有外荷载要等效转化为节点荷载。为节点荷载。总思路：总思路：铰接杆单元；节点位移为未知数；建立杆端力铰接杆单元；节点位移

20、为未知数；建立杆端力和杆端位移的关系（形成单元刚度阵）；由节点平衡和杆端位移的关系（形成单元刚度阵）；由节点平衡条件建立总刚方程；根据边界条件修正总刚；求得节条件建立总刚方程；根据边界条件修正总刚；求得节点位移，求得杆件内力。点位移，求得杆件内力。网架结构概述2.3.1 网架结构的单元分析网架结构的单元分析网架结构概述2.3.2 边界条件处理边界条件处理 n刚性支承刚性支承修正总刚的方法：划行划列；修正总刚的方法：划行划列；主元素置大数法主元素置大数法n弹性支承弹性支承整体分析；独立柱时，整体分析；独立柱时，等效弹簧等效弹簧n斜边界斜边界K按斜边界的局部坐标系转按斜边界的局部坐标系转化为化为K

21、S，后续处理相同，后续处理相同网架结构概述2.3.3 对称条件利用对称条件利用不鼓励采用不鼓励采用2.3.4 温度作用计算温度作用计算ij杆，温度变化杆，温度变化tij（升温为正，降温为负），则（升温为正，降温为负），则则可知局部坐标系下的杆端力；进而可知整体坐标系下则可知局部坐标系下的杆端力；进而可知整体坐标系下的杆端力；最终可得总刚方程：的杆端力；最终可得总刚方程：0ijij ijt 0KUPP网架结构概述2.4.5 杆件内力计算杆件内力计算总结：总结：（1）空间桁架位移法基本方程）空间桁架位移法基本方程 。从力学观点。从力学观点是平衡方程，从数学观点是线性代数方程。是平衡方程，从数学观点是线性代数方程。（2）K是通过对号入座叠加而成。是通过对号入座叠加而成。（3）K要根据边界条件修正，要求要根据边界条件修正，要求 。（4）空间桁架位移法是精确解法，适用范围广。）空间桁架位移法是精确解法，适用范围广。KUP 0K