jzgjgsj522網架結構jzgjgsj522網架結構主要內容網架結構概述網架結構的荷載、作用與一般設計原則網架結構的基本理論和分折方法網架結構的有限元法——空間桁架位移法網架結構的擬夾層板分析法網架結構的抗震分析網架結構桿件設計與節點構造主要內容網架結構概述2最新jzgjgsj522網架結構課件3最新jzgjgsj522網架結構課件4最新jzgjgsj522網架結構課件5最新jzgjgsj522網架結構課件6最新jzgjgsj522網架結構課件7最新jzgjgsj522網架結構課件8最新jzgjgsj522網架結構課件94.由六角錐體組成的網架結構，它的基本單元體是由6根弦桿、6根斜桿構成的正六角錐體，即七面體。

4.由六角錐體組成的網架結構，它的基本單元體是由6根弦桿、6102.1.5網架結構的選型

影響網架選型的因素是多方面的，如網架制作、安裝方法、用鋼指標、跨度大小、剛度要求、平面形狀、支承條件等都在一定程度上影響著確定采用哪一種網架形式。1．如節點采用焊接，由平面桁架系組成的網架，其制作比由四角錐體組成的網架較為方便；兩向正交網架又比兩向斜交網架及三向網架方便；四角錐網架比三角錐網架方便。2.1.5網架結構的選型影響網架選型的因素是多方面的，如11

2．安裝方法不采用整體提升或吊裝，采用分條或分塊安裝，或采用高空滑移法時，選用兩向正交正放網架、正放四角錐網架、正放抽空四角錐網架等三種正交正放類網架比選用斜放類網架有利。3．用鋼指標是衡量網架選型的一項重要標志。2．安裝方法不采用整體提升或吊裝，采用分條或分塊安裝，或采124．計算表明，跨度大小對網架選型的影響不大。但大跨度網架一般都是重要的建筑，目前在我國用得較多的是兩向正交正放網架、兩向正交斜放網架和三向網架等一類平面格架系組成的網架結構。因為這幾種大跨度網架的設計與施工經驗比較豐富，技術比較熟練。三向網架、三角錐網架、六角錐網架、一般構造較為復雜，用鋼量大，故在中小跨度中宜少采用。4．計算表明，跨度大小對網架選型的影響不大。但大跨度網架一般135.網架的剛度比平面屋架好得多，但各種網架之間，不論是水平剛度還是垂直剛度，其差別是不小的。如斜放四角錐網架，它本身是幾何可變的，在增設邊緣構件或有強大的圈梁時才能保證其幾何不變性。一般地說，節點數和桿件數較多的網架，如三角錐網架、六角錐網架、三向網架、正放四角錐網架，其剛度較大；反之，如斜放四角錐網架、棋盤形四角錐網架、抽空三角錐網架I、II型、蜂窩形三角錐網架，其節點數和桿件致較少，則剛度也較小。5.網架的剛度比平面屋架好得多，但各種網架之間，不論是水平剛14

6．平面形狀為圓形、正六邊形和接近圓形的多邊形網架，從平面布置及建筑造型看，比較適宜采用三向網架、六角錐網架、三角錐網架、抽空三角維網架I、II型和蜂窩形三角錐網架。特別是當平面形狀為正六邊形時，這幾種網架的網格規整，桿件類型少，施工方便；如采用其他類型網架，則邊界附近網格不規整，比較零亂，桿件類型增多，施工制作不便。 6．平面形狀為圓形、正六邊形和接近圓形的多邊形網架，從平面15

7．多點支承的網架，選用正交正放類網架較為合適。多點支承時這種正交正放類網架的受力性能比斜放類網架合理，撓度也小。經過四點支承網架計算表明，在條件相同的情況下，兩向正交正放網架與兩向正交斜放網架的最大內力比約為5/7，撓度比約為6/7，而且斜放類網架在自由邊界還要增設封邊的邊緣桿件，增加了桿件數量和材料用量。三邊支承一邊開口的網架，也宜選用正交正放類網架。周邊支承和多點支承相結合的網架，則可采用正交正放類網架，也可選用斜放類網架，但一般不宜采用三向網架和三角錐體、六角錐體組成的網架。

7．多點支承的網架，選用正交正放類網架較為合適。多點支承時16

8．對跨度不大于40m多層建筑的樓層及跨度不大于60m的屋蓋，可以采用以鋼筋泥凝土板代替鋼上弦的組合網架；組合網架宜選用正放四角錐組合網架、正放抽空四角錐組合網架、兩向正交正放組合網架、斜放四角錐組合網架及蜂窩形三角錐組合網架。網架選型是一個比較復雜的問題，必須根據實用與經濟的原則，進行多方案綜合分析比較確定。最主要的影響因素是施工制作和用鋼指標這兩個因素。 8．對跨度不大于40m多層建筑的樓層及跨度不大于60m的屋17

2.2網架結構的荷載、作用與一般設計原則

2.2.1荷載類型網架結構的荷載主要是永久荷載、可變荷載、偶然荷載。對永久荷載應采用標準值作為代表值。對可變荷載應根據設計要求采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值。對偶然荷載應按建筑結構使用的特點確定其代表值。1.永久荷載

作用在網架結構上的永久荷載：(1)網架自重：網架桿件大多采用鋼材，它的自重可通過計算機自動形成。也可預先估算網架單位面積自重節點自重一般占網架桿件總重的15％一25％。如果網架節點的連接形式己定，可根據具體的節點規格計算出其節點自重。

2.2網架結構的荷載、作用與一般設計原則

2.2.1荷載18(2)樓面或屋面覆蓋材料自重：根據實際使用材料查《建筑結構荷載規范》GB50009取用。如采用鋼筋混凝土屋面板，其自重取1.0~1.5kN/m2；采用輕質板，其自重取0.3~0.7kN/m2。(3)吊頂材料自重。設備管道自重。上述荷載中，（1）、（2）兩項必須考慮，（3）、（4）兩項根據實際工程情況而定。(2)樓面或屋面覆蓋材料自重：根據實際使用材料查《建筑結構192.可變荷載

作用在網架結構上的可變荷載： (1)屋面或樓面活荷載：網架的屋面，一般不上人，屋面活荷載標準值為0.5kN／m2。樓面活荷載根據工程性質查荷載規范取用。 (2)雪荷載：雪荷載與屋面活荷載不必同時考慮，取兩者的大值。對雪荷載敏感的結構，基本雪壓應適當提高，并應由有關的結構設計規范具體規定。雪荷載的組合值系數可取0.7；頻遇值系數可取0.6；準永久值系數應按雪荷載分區I、II和III的不同，分別取0.5、0.2和0。2.可變荷載

作用在網架結構上的可變荷載：20

(3)風荷載：對于周邊支承且支座節點在上弦的網架，風載由四周墻面承受，計算時可不考慮風荷載。其他支承情況，應根據實際工程情況考慮水平風荷載作用。 (4)積灰荷載：工業廠房中采用網架時，應根據廠房性質考慮積灰荷載。 (5)吊車荷載：懸掛吊車直接掛在網架下弦節點上，對網架產生吊車豎向荷載。橋式吊車在吊車梁上行走，通過柱子對網架產生吊車水平荷載。 (3)風荷載：對于周邊支承且支座節點在上弦的網架，風載由四212.2.2溫度作用溫度作用是指由于溫度變化，使網架桿件產生附加溫度應力，必須在計算和構造措施中加以考慮。網架結構是超靜定結構，在均勻溫度場變化下，由于桿件不能自由熱脹冷縮，桿件會產生應力，這種應力成為網架的溫度應力。溫度場變化范圍是指施工安裝完畢(網架支座與下部結構連接固定牢固)時的氣溫與當地常年最高或最低氣溫之差。另外工廠車間生產過程中引起溫度場變化，這可由工藝提出。

目前溫度應力的計算方法有：采用空間桿系有限元法的精確計算方法和把網架簡化為平板或夾層板構造的近似分析法。2.2.2溫度作用溫度作用是指由于溫度變化，使網架桿件產生22符合下列條件之一者，可不考慮由于溫度變化而引起的內力：支座節點的構造允許網架側移時，其側移值應等于或大于下式的計算值： 當周邊支承的網架且網架驗算方向跨度小于40m時，支承結構應為獨立柱或磚壁柱；在單位力作用下，柱頂位移大于或等于上式的計算值。當網架支座節點構造沿邊界法向不能相對位移時，由溫度變化而引起的柱頂水平力可按下式計算：符合下列條件之一者，可不考慮由于溫度變化而引起的內力：232.2.3地震作用網架由地震引起的振動稱為網架的地震反應，它包括內力、變形和位移。網架的地震反應大小不僅與外來干擾作用(地震波)的大小及其隨時間的變化規律有關，還取決于網架本身的動力特性，即網架的自振周期和阻尼。由于地震的地面運動為一種隨機過程，運動極不規則，網架又是空間結構，動力特性十分復雜，要正確分析網架的動力反應比較困難，常作以下簡化假定：(1)結構可離散為多個集中質量的彈性體系；(2)結構振動屬于微幅振動，即結構的振動變形很小，仍屬于小變形范疇。線性疊加原理可以適用；(3)振動時結構的地基各部分作同一運動，即不考慮地面運動的相位差的影響；2.2.3地震作用網架由地震引起的振動稱為網架的地震反應，24(4)結構的阻尼很小，可以忽略結構各振型之間的耦聯影響。網架的地震作用取決于地面運動的加速度和網架自身固有的動力特性，可采用振型分解反應譜法和時程法進行計算。根據我國《網架結構設計與施工規程》JGJ7-91規定：在抗震設防烈度為7度的地區，可不進行網架結構水平抗震驗算。在抗震設防烈度為8度的地區，對于周邊支承的中小跨度網架可不進行水平抗震驗算；在抗震設防烈度為9度的地震區，對各種網架結構均應進行水平抗震驗算。水平地震作用下網架的內力，位移可采用空間桁架位移法計算。(4)結構的阻尼很小，可以忽略結構各振型之間的耦聯影響。252.2.4荷載效應組合

根據使用和施工過程中可能出現的最不利荷載進行組合。荷載組合的一般表達式為無吊車荷載和風荷載、地震作用時，網架應考慮以下荷載組合：(1)永久荷裁十可變荷載；(2)永久荷載十半跨可變荷載；(3)網架自重十半跨屋面板自重十施工荷載。后兩種荷載組合主要考慮斜腹桿的變號。當采用輕屋面（如壓型鋼板）或屋面板對稱鋪設時，可不計算。當考慮風荷載和地震作用時，其組合形式可按上式計算。2.2.4荷載效應組合根據使用和施工過程中可能出現的最不26考慮多臺吊車豎向荷載組合時，對一層吊車的單跨廠房的網架，參與組合的吊車臺數不應多于2臺；對于一層吊車的多跨廠房的網架，不多于4臺。吊車荷載是移動荷載，目前采用的組合方法是由設計人員根據經驗選定幾種吊車組合及位置，作為單獨的荷載工況進行計算，在此基礎上選出桿件的最大內力，作為吊車荷載的最不利組合值，再與其他工況的內力進行組合。另一種方法是使吊車荷載簡化為均布荷載和其他工況進行組合。精確計算是根據吊車行走位置，以每一位置作為單獨荷載工況進行計算，找出各種位置時網架桿件的最大內力，再與其他工況的內力進行組合。這種計算必須進行幾十種、甚至幾百種組合，計算工作量大。

考慮多臺吊車豎向荷載組合時，對一層吊車的單跨廠房的網架，參與272.2.5一般設計計算原則高次超靜定結構，應進行外荷載作用下的內力、位移計算，并應根據具體情況，對地震、溫度變化、支座沉降及施工安裝荷載等作用下的內力、位移進行計算。1．結構內力計算一般原則網架結構的材料都按彈性受力狀態考慮，即不考慮材料的非線性性質(研究網架的極限承載力時要考慮這一因素)。基本假定：(1)節點為鉸接，桿件只承受軸向力；(2)按小撓度理論計算；(3)按彈性方法分析。2.2.5一般設計計算原則高次超靜定結構，應進行外荷載作用下28非抗震設計，荷載及荷載效應組合按《建筑結構荷載規范》GB50009進行計算。在截面及節點設計中，應按照荷載的基本組合確定內力計算值；在位移計算中應按短期效應組合確定其撓度。抗震設計，荷載及荷載效應組合應按國家標準《建筑抗震設計規范》GB50011確定內力設計。網架結構的外荷載按靜力等效原則，將節點所轄區域內的荷載集中作用在該節點上。結構分析時可忽略節點剛度的影響，假定節點為鉸接，桿件只承受軸向力。當桿件上作用有局部荷載時，應另考慮受彎的影響。非抗震設計，荷載及荷載效應組合按《建筑結構荷載規范》GB529根據跨度大小、網架類型及工程情況可分別按下列規定選用不同方法進行內力、位移計算： (1)空間桁架位移法：適用于各種類型、各種支承條件的網架； (2)交叉梁系差分法：可用于跨度在40m以下的由平面桁架系組成的網架或正放四角錐網架的計算； (3)擬夾層板法：可用于跨度在40m以下的由平面桁架系組成的網架或正放四角錐體組成的網架的計算； (4)假想彎矩法：可用于斜放四角錐網架、棋盤形四角錐網架的估算。根據跨度大小、網架類型及工程情況可分別按下列規定選用不同方法302．抗震設計一般原則

(1)一般情況下，應允許在建筑結構的兩個主軸方向分別計算水平地震作用，并進行抗震驗算，各方向的水平地震作用應由該方向抗側力構件承擔。(2)有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15o時，應分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。(3)質量和剛度分布明顯不對稱的結構，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響，其他情況，應允許采用調整地震作用效應的方法計入扭轉影響。(4)8、9度抗震設防時的大跨度和長懸臂結構，應計算豎向地震作用。2．抗震設計一般原則(1)一般情況下，應允許在建筑結構的313．其他設計原則 網架結構的支撐條件，可根據支撐結構的剛度、支座節點的構造情況，分別假定為二向可側移、一向可側移、無側移的鉸接支座或彈性支承。

3．其他設計原則 網架結構的支撐條件，可根據支撐結構的剛度、32

2.3 網架結構的基本理論和分析方法

2.3.1基本假定和計算模型網架是空間桿系結構，節點連接假定為鉸接，忽略節點剛度的影響，。模型試驗和工程實踐都表明，鉸接假定是完全許可的，所帶來的誤差可忽略不計。網架屬于平板形，受荷后網架在板平面內的水平變位小于網架撓度，撓度遠小于網架的厚度，屬于小撓度范疇，不必考慮因大變位、大撓度所引起的結構幾何非線性性質。此外，網架結構的材料都按處于彈性受力狀態而非進入彈塑性狀態和塑性狀態計算，即不考慮材料的非線性性質。因此，對網架結構的一般靜動力計算，其基本假定可歸納為：(1)節點為鉸接，桿件只承受軸向力，(2)按小撓度理論計算；(3)按彈性方法分析。

2.3 網架結構的基本理論和分析方法

2.3.1基本假33網架的計算模型大致可分為4種。

1．鉸接桿系計算模型把網架看為鉸接桿件的集合。根據每根桿件的工作狀態，可集合得出整個網架的工作狀態，所以每根鉸接桿件可作為網架計算的基本單元。稱這種鉸接桿系計算模型為計算模型A。2．桁架系計算模型

根據網架組成的規律，把網架作為桁架系的集合，分析時可把一段桁架作為基本單元。由于桁架系有平面桁架系和空間桁架系之分，故桁架系計算模型也可分為乎面桁架系計算模型和空間桁架系計算模型，前者稱計算模型B1，后者稱計算模型B2。網架的計算模型大致可分為4種。343．梁系計算模型計算模型除基本假定外，還通過折算的方法把網架等代為梁系，再以梁段作為分析的基本單元。4．平板計算模型計算模型也與梁系計算模型相類似，要有一個把網架折算等代為平板的過程，計算后也要有一個回代過程。平板有單層普通板與夾層板之分，故平板計算模型也可分為普通平板計算模型與夾層平板計算模型。前者稱計算模型D1，后者稱計算模型D2。3．梁系計算模型35最新jzgjgsj522網架結構課件36上述四種計算模型A、B、C、D中，前兩者是離散型的計算模型，比較符合網架本身離散構造的特點，如果不再引入新的假定，采用合適的分析方法，就有可能求得網架結構的精確解答。后兩者是連續化的計算模型，在分析計算中，必然要增加從離散折算成連續，再從連續回代到離散這樣兩個過程，而這種折算和回代過程通常會影響結構計算的精度。所以采用連續化的計算模型，一般只能求得網架結構的近似解。但是，連續化的計算模型往往比較單一，不復雜，分析計算方便，或可直接利用現有的解答，雖然所求得的解答為近似解，只要計算結果能滿足工程所需的精度要求，這種連續化的計算模型仍是可取的。上述四種計算模型A、B、C、D中，前兩者是離散型的計算模型，372.3.2網架結構計算方法概述及其分類建立了網架的計算模型，下一步就需要尋找合適的分析方法來反映和描述網架的內力和變位狀態，并求得內力和變位。網架結構的分析方法大致有五類：1．有限元法(分析方法I)。包括鉸接桿元法、梁元法等。2．力法(分析方法II)。3．差分法(分析方法III)。差分法有兩種含義，一種是微分方程的差分解法；另一種是根據節點和桿件的間距(類似差分的步長)，給出網架的內力平衡方程和變位協調方程，其組成形式與差分方程類同，故把這種分析方法也歸納在差分法中。前者稱差分法(1)，后者稱差分法(2)。

2.3.2網架結構計算方法概述及其分類建立了網架的計算模384．微分方程解析解法(分析方法IV)。5．微分方程近似解法(分析方法V)。如變分法、加權殘數法等，但不包括微分方程的差分解法。由上述四種計算模型及五種分析方法，使其一一對應結合，可形成網架結構的現有各種具體計算方法，即空間桁架位移法、交叉梁系梁元法、交叉梁系力法、交叉梁系差分法、混合法、網板法、假想彎矩法、下弦內力法、擬板法及擬夾層板法共十種具體計算方法。4．微分方程解析解法(分析方法IV)。391.空間桁架位移法鉸接桿系結構的有限元分析法，以網架節點的三個線位移為未知數，采用適合于電子計算機運算的矩陣表達式分析計算網架結構。2.交叉梁系梁元法

適用于由平面桁架系組成網架的一種計算方法。它把單元網片等代為梁元，以交叉梁系節點的撓度和轉角為未知量，用有限元法來分析計算。1.空間桁架位移法403.交叉梁系力法主要適用于由兩向平面桁架系組成網架的一種計算方法。它把桁架系等代為梁系，在交叉點處認為設有豎向連桿相連。切開連桿并以贅余力代替，使交叉梁系成為兩個方向的靜定梁系，根據交叉點豎向撓度相等的條件，即可按一般結構力學的力法來計算。交叉梁系力法一般不考慮網架的剪切變形，未知數約為空間桁架位移法的1/6，計算比較簡便。3.交叉梁系力法414．交叉梁系差分法用于由兩向平面桁架系組成的網架的一種計算方法。60～70年代沒有電算網架之前，工程設計中這類網架的計算，幾乎都采用這種簡化為梁系的差分分析法。在計算中以交叉梁系節點的撓度為未知數，不考慮網架的剪切變形，所以未知數的數量較小，約為空間桁架位移法的1／6、交叉梁系梁元法的1／3。我國曾采用此法編制了一些計算圖表，查用方便。4．交叉梁系差分法425．混合法直接以交叉平面桁架系為計算模型的差分分析法，適用于平面桁架系組成的網架計算。以平面桁架系的節點撓度、桁架彎矩及豎桿內力為未知數，未知數的數量約為空間桁架位移法的1／2～2／3。分析時可考慮網架的剪切變形和變剛度的影響，因此可求得與空間桁架位移法計算結果相同的精確解。如果不考慮網架的剪切變形和變剛度的影響，該法的基本方程便退化為交叉梁系差分法的基本方程。5．混合法436．假想彎矩法以交叉空間桁架系為計算模型的差分分析法，適用于斜放四角錐網架及棋盤形四角錐網架的計算。分析時假定兩個方向的空間桁架在交接處的假想彎矩相等，從而使基本方程可簡化為二階的差分方程。在網架結構發展初期建成的不少中小跨度的斜放四角錐網架，都曾采用此法計算，并編有供計算用的假想彎矩系數表。該法的基本假定過于簡單，其計算精度是網架簡化計算法中最差的一種，建議只在網架估算時采用。6．假想彎矩法447．網板法一種以空間桁架系為計算模型的差分分析法，適用于正放四角錐網架計算。分析時以網架某一方向的上、下弦桿內力及上弦節點撓度為未知數，基本方程為四階的差分方程。當考慮剪切變形和變剛度影響時，可求得較精確的計算結果。

7．網板法458．下弦內力法用于計算蜂窩形三角錐網架的差分分析法。一般情況下，蜂窩形三角錐網架的下弦桿、腹桿以及支座豎向反力是靜定的，周邊簡支時上弦桿也是靜定的，從而可以建立以下弦桿內力為未知數的基本方程式，無需根據協調方程可直接求得網架內力。因此，這種以離散型的空間桁架系計算模型為依據的下弦內力法是求解蜂窩形三角錐網架的一種精確解法。對于周邊簡支網架已編制有計算圖表可直接查用，計算方便。8．下弦內力法469．擬板法把網架結構等代為一塊正交異性或各向同性的普通平板，按經典的平板理論求解，可適用于由平面桁架系組成的網架及大部分由角錐體組成的網架計算。擬板法一般未考慮網架剪切變形及變剛度的影響，對周邊簡支等一些常遇邊界條件的網架，可求得基本微分方程的解析解，或利用現有的平板計算圖表來計算。網架桿件的最終內力，要通過等效關系由擬板的彎矩和剪力回代求得。9．擬板法4710．擬夾層板法把網架結構等代為一塊由上下表層與夾心層組成的夾層板，以一個撓度、兩個轉角共三個廣義位移為未知函數，采用非經典的板彎曲理論來求解。擬夾層板法考慮了網架剪切變形，可提高網架計算的精度。擬夾層板法的適用范圍及網架桿件最終內力計算，與擬板法基本相同。2.3.3網架結構各種計算方法的比較10．擬夾層板法482.4網架結構的有限元法－空間桁架位移法2.4.1

空間桁架位移法概述空間桁架位移法分析網架結構作了如下的基本假定：(1)節點為鉸接，桿件只能承受軸力，忽略節點剛度的影響；(2)網架位移遠小于網架厚度，按小撓度理論進行計算；(3)材料符合虎克定律，按彈性方法分析；(4)網架只作用節點荷載，如在桿件上作用有荷載時要等效地轉化為節點荷載。2.4網架結構的有限元法－空間桁架位移法2.4.1 空49空間桁架位移法計算步驟的粗框圖

空間桁架位移法計算步驟的粗框圖50空間桁架位移法采用鉸接桿系計算模型，以節點位移為未知函數，通過單元分析，建立桿端力和桿端位移關系，形成單元剛度矩陣。由節點的平衡條件，可建立基本方程即總剛度方程，形成總剛度矩陣。根據邊界條件對基本方程進行修正，求解后可得節點位移，進而可計算得出桿件內力。因此，網架結構的空間桁架位移法，實質上是結構力學中的位移法。空間桁架位移法采用鉸接桿系計算模型，以節點位移為未知函數，通512.4.2網架結構的單元分析

2.4.3網架結構基本方程的建立從網架結構中取出任一節點i，與該節點相交的桿件有ij、ik……im，作用在節點上的外荷載為Pi。交于i節點各桿端力的表達式為：

2.4.2網架結構的單元分析

2.4.3網架結構基本52最新jzgjgsj522網架結構課件53對網架的每一節點都可建立類似的平衡方程，經合并后可得對網架的每一節點都可建立類似的平衡方程，經合并后可得54或簡寫為 KU=P

上式為網架結構的總剛度方程，K為總剛度矩陣，且有如下一些特性：(1)主對角元素均為ni項疊加而成，ni為交于i節點的桿件數；(2)矩陣的元素具有對稱性，即Kij＝Kji

；(3)矩陣的元素具有稀疏性，每個方程中的非零元素只有ni+1項，而且這些非零元素均密集在主對角線附近。 以上這些特性有利于計算機緊湊存儲、節省內存、方便求解。或簡寫為 KU=P

上式為網架結構的總剛度方程，K為總剛度552.4.4邊界條件處理

網架結構要根據邊界條件，先對總剛度短陣K修正到K′,再當滿足≠0,才可求解總剛度方程 網架結構通常的邊界條件可分成兩類：

2.4.4邊界條件處理 網架結構要根據邊界條件，先對總剛度561．剛性支承。修正總剛度矩陣K的辦法有兩種：一是劃去相應的行和列，二是把相應的主元素改為一個大數，如1016，這可達到某一相應支座位移為零的目的。但在計算機上實現這一目的，采用第二種辦法比較方便。2．彈性支承。當支承結構比較復雜，而且必須要考慮支承結構的彈性作用時，可根據支承點的協調條件，把網架與支承結構作為一個整體結構進行分析。當支承結構比較簡單，如為獨立柱時，可把支承結構換算為在支承點處的等效彈簧，并求出彈簧的剛度，按彈簧支承下的網架結構進行分析。1．剛性支承。修正總剛度矩陣K的辦法有兩種：一是劃去相應的行572.4.5對稱條件利用如網架結構(包括邊界條件)對稱，在對稱荷載作用下，對稱面oyz內的反對稱位移為零。對稱的網架結構在反對稱荷載作用下，對稱面內的對稱位移為零。2.4.5對稱條件利用如網架結構(包括邊界條件)對稱，在582.4.6溫度作用影響計算

2.4.7桿件內力計算求解總剛度方程后，便求得網架各節點的位移，從而可由下式計算網架任一桿件的內力

對于與斜邊界有關的桿件，先得由下式求出總體坐標系下的位移：

Uij=TAijU’ij

2.4.6溫度作用影響計算

2.4.7桿件內力計算求59當有溫度作用時，網架桿件內力計算公式為網架結構精確分析方法——空間桁架位移法小結：1．網架結構空間桁架位移法(即鉸接桿系結構有限元法)的基本方程為KU＝P，其實質便是結構力學中位移法的準則方程式，從力學的觀點來說是平衡方程，從數學的觀點來說是線代數方程。2．網架結構的總剛度矩陣K是由鉸接桿件的單元剛度通過坐標變換，然后對號入座疊加而成。

當有溫度作用時，網架桿件內力計算公式為603．網架結構基本方程(即總剛度方程)要根據邊界條件對總剛度矩陣K修正為K′，并要求K′的行列式不等于零時才能求解。4．空間桁架位移法是網架結構的精確解法，它可分析計算任意形式、任意邊界條件(包括剛性支承、彈性支承、斜邊界)、任意外載作用(包括溫度作用、支座沉降、預加應力)的網架結構。3．網架結構基本方程(即總剛度方程)要根據邊界條件對總剛度矩612.5網架結構的擬夾層板分析法對于平板形網架結構，從結構整體、外形尺寸等宏觀角度來看，可用一塊平板模擬，并采用平板理論及其分析方法進行計算。擬板法有兩種：一種是普通的擬板法，它與解一般的實體板相同，不考慮網架結構的橫向剪切變形，采用經典平板理論來分析，其基本微分方程式為四階；另一種是擬夾層板法，它如同求解一塊具有夾心層的平板，要考慮夾心層的橫向剪切變形，采用非經典的平板理論分析。2.5網架結構的擬夾層板分析法對于平板形網架結構，622.6網架結構的抗震分析

2.6.1概述網架由地震引起的振動稱為網架的地震反應，包括地震在結構中引起的內力和變形。地震反應的大小不僅與外來干擾作用(地震波)的大小、頻率、相位和作用時間等有關，而且還取決于網架本身的動力特性，即網架的自振周期與阻尼。2.6.2網架結構的振動方程和動力特性1.基本假定對網架結構進行動力特性分析作如下假定：2.6網架結構的抗震分析2.6.1概述63(1)節點均為空間鉸接節點，每一個節點具有三個自由度；(2)質量集中在各個節點上，(3)桿件只承受軸力；(4)基礎為一剛性體，各點的運動完全一致

沒有相位差。2.自由振動方程及求解根據擬靜力法，將慣性力看成等效外力施加到結構上，由平衡方程得網架結構用矩陣表示的自由振動方程。網架的節點數較多，因此自由度也很多，根據資料分析，對工程有影響的是前面幾個自振頻率和振型，一般取前10階自振頻率進行動力分析即可滿足工程設計精度要求。(1)節點均為空間鉸接節點，每一個節點具有三個自由度；643.網架結構的自由振動特點基本周期隨網架的短向跨度增大而加大，周邊支承網架，基本周期約在0.3—0.7s左右。網架的自振頻率和振型具有如下特點：(1)頻譜非常密集，特別在水平振型類密集區域，會出現相鄰兩個頻率相等或接近情況。(2)基本周期與網架的短向跨度關系很大，且與支座約束的強弱等有關。(3)網架的振型可分為兩大類，以水平振動為主的稱為水平振型類，其節點水平分量較大，豎向分量較小。以豎向振動為主的稱為豎向振型類，其節點豎向分量較大，水平分量較小。一般情況下，網架以豎向振型為主。3.網架結構的自由振動特點652.6.3網架結構的地震反應分析1．振型分解反應譜法振型分解反應譜法求網架的地震作用效應，是目前網架地震反應分析中精度較高的分析方法之一。這種方法就是利用振型分解的概念，以單質點體系在地震作用下的反應理論為基礎，先求出對應于每一個振型的最大地震作用及其相應的地震作用效應，然后將這些效應進行組合，求得網架桿件的最大地震反應。2.6.3網架結構的地震反應分析662.時程法時程法是一種直接積分方法，它對所得到的動力方程進行直接積分，從而求得每一瞬時結構的位移、速度和加速度。直接積分法有線性加速度法、威爾遜一θ(Wilson一θ)法、Newmark一β法等。2.時程法672.7網架結構桿件設計與節點構造2.7.1網架結構的桿件設計1．桿件常用材料及截面形式(1)桿件的材料大多數網架的材料為鋼材。Q345鋼強度高，用于大跨度的網架。一般的網架結構采用Q235鋼。兩種鋼材力學性能、焊接性能均很好，材質也比較穩定。(2)桿件截面形式桿件的截面形式很多，但以空腹截面為最優，如圓鋼管、方鋼管等。圓鋼管有高頻電焊鋼管及無縫鋼管兩種。盡量采用高額電焊鋼管。圓鋼管各方向慣性矩相同、截面封閉、回轉半徑大，對受壓受扭有利。端部封閉后，內部不易銹蝕，表面也難以積灰和積水，具有較好的防腐性能。

2.7網架結構桿件設計與節點構造682．桿件的計算長度和容許長細比(1)桿件的計算長度網架節點匯集了較多的桿件，因此節點的嵌固作用較大。網架桿件的計算長度如按平面桁架的有關規定采用，偏于安全。網架規程中規定的計算長度取值是經過模型試驗和分析研究確定的。桿件的計算長度與網架節點的形式有關，對于螺栓球節點網架，桿件兩端可視為鉸接，弦桿和腹桿均取桿件的幾何長度l，即節點中心點之間的距離l。焊接空心球節點網架，弦桿和支座腹桿的計算長度取0.9l，而其他腹桿的計算長度取0.8l。對于板節點的網架則取和平面桁架相同的計算長度，即弦桿取l，腹桿取0.8l。2．桿件的計算長度和容許長細比69(2)桿件的容許長細比網架的桿件的長細比不應該超過容許長細比。對于受壓的桿件，容許長細比主要是防止桿件過于細長容易產生初彎曲，初彎曲對壓桿穩定極限承載力有較大影響，對于受拉的桿件，容許長細比主要是保證桿件在制作、運輸、安裝和使用過程中有一定的剛度。網架規程中規定的桿件容許長細比如下：受壓桿件：[λ]＝180受拉桿件：1)一般桿件[λ]＝4002)支座附近的桿件[λ]＝3003)直接承受動力荷載的桿件[λ]＝250(2)桿件的容許長細比703．桿件的截面選擇和構造要求(1)桿件的截面選擇桿件的選取應該注意以下幾點：1)一個網架桿件的截面規格不宜過多，一般較小跨度以2~3種為宜，大跨度的網架也不宜超過6~7種。2)桿件在相同截面面積的條件下，宜選擇薄壁截面，這樣增加回轉半徑對穩定有利。3）桿件截面規格的選擇宜用市場上經常供應的規格。

4）桿件長度與網架網格尺寸有關，確定網格尺寸時，除考慮最優尺寸及屋面板制作條件等因素外，也應考慮一般常用的定尺長度，以避免剩頭過長造成浪費。5)鋼管出廠一般均有負公差，所以在選擇載面時應當適當留有余地。3．桿件的截面選擇和構造要求71(2)桿件的構造要求桿件截面過小，容易產生初彎曲，所以對網架的桿件有最小截面的規定。普通型鋼不宜小于L50×3，圓鋼管不宜小于φ48×2，較大跨度的網架桿件的外徑不宜小于φ60。此外，為了便于施焊和防腐要求，圓鋼管的壁厚不宜太薄，一般不小于2mm。由于網架的桿件為軸向受力桿，因此，桿件上不可承受橫向荷載。網架桿件在構造設計時，宜避免難于檢查、清刷、油漆以及積留濕氣或灰塵的死角或凹槽。對于管形截面，應將兩端封閉。受拉桿件一般不宜設有接頭，受壓桿件也只容許有一個接頭，且該接頭應設在受力較小區域，并避免接頭過于集中(2)桿件的構造要求724．桿件的設計計算網架桿件主要承受軸向拉力和軸向壓力（1）軸心受拉：(2)軸心受壓：當桿件截面不能滿足強度或穩定的要求時，應當加大截面的規格。截面的規格改變將引起桿件內力的改變，因此，桿件截面的計算由計算機完成，截面的選擇也是根據提供的截面規格，按滿應力原則選擇最經濟截面。4．桿件的設計計算當桿件截面不能滿足強度或穩定的要求時，應732.7.2網架結構的節點與設計節點起連接桿件、傳遞荷載的作用，因此，節點設計是網架結構設計中的重要內容。通常節點用鋼量占整個網架桿件用量的20％-25％。合理的節點設計對網架結構的安全性能、制作安裝、工程進度和工程造價都有著直接的影響。節點設計和構造均應符合以下一些原則：（1）受力合理，傳力明確、可靠，實際構造與所采用的計算假定吻合。（2）保證各桿件交匯于一點，不產生附加彎矩。（3）構造簡單、制作和安裝方便。（4）盡量減少用鋼量。2.7.2網架結構的節點與設計節點起連接桿件、傳遞荷載74

1．網架節點的類型（1）焊接鋼板節點主要用于弦桿呈兩向布置的各類網架，如兩向正交正放網架、兩向正交斜放網架以及各種類型的四角錐網架。網架中，上、下弦桿均成兩向正交布置，斜腹桿或位于弦桿的豎平面內或與弦桿豎平面成45。角相交。桿件端部均在節點處相交。為使這些匯交的桿件能在節點上有效地連成一體，桿件內力得到可靠的傳遞，應沿桿件方向設置相應的節點板，各節點板間則以焊縫連成整體，從而形成了焊接鋼板節點。1．網架節點的類型75這種節點與鋼桁架的節點構造較為相似，有時為了增加節點的強度和剛度，也可以在十字節點板中心加設一段圓鋼管，將十字節點板直接焊于中心鋼管上，從而形成一個由中心鋼管加強的焊接鋼板節點。

這種節點與鋼桁架的節點構造較為相似，有時為了增加節點的強度和76（2）焊接空心球節點由兩個半球對焊而成。半球有冷壓和熱壓成型兩種方法。熱壓成型簡單，不需要很大的壓力，采用多；冷壓不僅需要很大的壓力，要求鋼材的材質好，而且對模具的磨損也較大，目前很少采用。當焊接空心球的直徑較大時，為了增加球體的承載力，可以在兩個半球的對焊處增加肋板，三者焊成整體。網架桿件通過角焊縫或對接焊縫與空心球相連。（3）螺栓球節點將網架桿件通過高強螺栓、套筒、螺釘或銷釘、錐頭、封板與實心鋼球連接起來的一種節點形式。（2）焊接空心球節點77（4）直接相貫節將網架腹桿(支管)的端部經機械加工成相貫面后，直接焊在弦桿（主管)壁上，也可以將一個方向的弦桿焊在另一個方向弦桿的管壁上。這種節點因為省去了任何節點連接部件，因而節點的用鋼量少，但是它要求的加工精度很高。桿件可以是圓鋼管，也可以是方鋼管。（5）焊接鋼管節點它是由空心圓柱體組成的節點，桿件直接焊在圓柱體的表面上，由于網架桿件的端部要加工成與圓柱體表面相交的曲面，因此，它對桿件的加工精度要求較高。

目前用得最為廣泛的是焊接空心球節點和螺栓球節點。（4）直接相貫節78

2．焊接球節點設計與構造

焊接空心球節點是在我國應用較早、也最為廣泛的節點形式之一，它分為加肋和不加肋兩種。（1）焊接空心球的承載力設計計算1）受壓承載力設計計算

以受壓為主的空心球，其破壞機理屬于殼體的穩定問題，應該采用非線性分析方法進行其極限承載力的分析，計算工作量大，難以在設計中應用。目前的計算公式是在大量試驗資料的基礎上經回歸分析確定的。試驗表明，雙向受壓空心球的承載力與單向受壓空心球的承載力基本接近，并且空心球的鋼種對其受壓承載力的影響不顯著。

2．焊接球節點設計與構造

焊接空心球節點是在我國應用較早79

球體的受壓承載力都以單向受壓的試驗為依據。對于空心球外徑D＝120—500mm時，其受壓承載力設計值按下式計算：D——空心球外徑(mm)；

t——空心球壁厚(mm)；

d——鋼管外徑(mm)；ηc——受壓空心球加肋承載力提高系數，不加肋時ηc＝1.0,加肋時ηc＝1.4。球體的受壓承載力都以單向受壓的試驗為依據。對于空心球外徑D80從以上公式可以看出，球體受壓承載力與空心球壁厚t、空心球外徑D和連接的鋼管外徑d有關：a．當D、d不變時，隨t的增大，受壓承載力也相應地增大；b．當D、t不變時，隨d的增大，受壓承載力也相應地增大；c．當t、d不變時，隨D的增大，受壓承載力也相應地增大，d．空心球加肋時，其受壓承載力可以提高40％。交匯于空心球有多根桿件，可以用受力最大的桿件來驗算。從以上公式可以看出，球體受壓承載力與空心球壁厚t、空心球外徑81

2)受拉承載力設計計算空心球受拉破壞其機理屬于強度破壞。試驗表明，其破壞具有沖切破壞的特征，破壞面多為球體沿桿件管壁拉出。對于空心球外徑D＝120～500mm時，其受拉承載力設計值按下式計算：

Nt＜0.55ηttdπfNt——受拉空心球所受的軸向拉力設計值(N)；f——鋼材強度設計值(N／mm2)；ηt——受拉空心球加肋承載力提高系數，不加肋時ηt＝1.0，加肋時ηt＝1.1。2)受拉承載力設計計算82（2）焊接空心球的構造1)不加肋空心球和加肋空心球兩個半球的焊接以及兩個半球與加肋圓環的焊接構造（2）焊接空心球的構造83

2)空心球球徑的大小應該能在球的表面排列所連接的全部鋼管，為了便于施焊及母材不致過熱．連接于同一節點上的各桿件之間的空隙不宜小于10mm。2)空心球球徑的大小應該能在球的表面排列所連接的全部鋼管，84按此要求近似有以下關系式：

所以有

3)空心球外徑與壁厚的比值可按設計要求在25～45范圍內選用，同時空心球壁厚與鋼管最大壁厚的比值宜選用1.2～2.0，空心球壁厚不宜小于4mm。4)當空心球的外徑不小于300mm，且桿件內力較大需要提高承載力時，球內可加環肋，其厚度不應小于球壁的厚度，內力較大的桿件應位于肋板平面內。按此要求近似有以下關系式：855)鋼管桿件與空心球連接，鋼管應開坡口。在鋼管與空心球之間應留有一定空隙予以焊透，以實現焊縫與鋼管等強，否則應按角焊縫計算。為了保證焊縫質量，鋼管端頭可加套管與空心球焊接。

5)鋼管桿件與空心球連接，鋼管應開坡口。在鋼管與空心球之間應863．螺栓球節點設計與構造螺栓球節點也是我國應用較早且很廣泛的節點形式之一，它由螺栓、鋼球、銷子(或螺釘)、套筒和錐頭或封板等零件組成，這種節點適用于鋼管連接。在螺栓球球體的同一個坐標平面內，若每個螺栓孔夾角為450，則整個球具有18個孔。采用這種螺栓球進行組合相當靈活，既適用于一般的網架結構，也適用于任何形式的空間網格結構。此外，對于雙層網殼結構、塔架、平臺和腳手架等也都可以采用螺栓球節點。目前我國螺栓球節點網架的桿件內力最大拉力值一般可達到70t，最大懸掛吊車約為5t。3．螺栓球節點設計與構造螺栓球節點也是我國應用較早且很廣泛的87

螺栓球節點網架的桿件長度一般在2～3m左右，包裝簡單，可以用集裝箱運輸；因為沒有現場焊接，安裝方便，不產生焊接變形和焊接應力，無節點偏心，受力狀態好；能夠在工廠生產，產品質量容易保證，也可減少施工現場作業量，大大加快建設速度。螺栓球節點的設計與構造包括：(1)螺栓球零件材料的選擇鋼球、封板、錐頭、套筒的材料可按表2.7.2-1采用。

(2)鋼球直徑的確定采用鍛壓球。大小取決于螺栓的直徑、相鄰桿件的夾角和螺栓伸入球體的長度等因素，同時要求伸入球體的相鄰兩個螺栓不相碰。螺栓球節點網架的桿件長度一般在2～3m左右，包裝簡單，可以88(3)高強度螺栓受拉承載力計算高強度螺栓承受拉力對于受壓桿件，高強度螺栓不承受桿件的壓力，此時高強度螺栓的直徑可按受拉計算所得值適當減小。壓力主要由套筒承擔，套筒要進行承壓計算，并驗算其開槽處和端部有效截面的承壓力。(4)套筒外形尺寸的確定套筒是六角形的無紋螺母，用以擰緊螺栓和傳遞桿件軸壓力。套簡外形尺寸應符合扳手開口尺寸系列，端部保持平整，內孔徑可比螺栓直徑大1mm。套筒端部到開槽端部的距離應使該處有效截面抗剪承載力不低于銷釘(或螺釘)的抗剪承載力，且不應小于1.5倍開槽孔的寬度。(3)高強度螺栓受拉承載力計算89

(5)錐頭或封板的構造錐頭或封板主要起連接鋼管和螺栓的作用，承受桿件傳來的拉力或壓力。當桿件管徑大于或等于76mm時，宜采用錐頭連接，否則采用封板連接。其連接焊縫以及錐頭的任何截面應與連接的鋼管等強，其焊縫寬度b可根據連接鋼管壁厚取2~5mm，封板厚應根據實際受力的大小計算確定，當鋼管壁厚小于4mm時，其封板厚度不宜小于鋼管外徑的1／5。(5)錐頭或封板的構造90(6)銷釘或螺釘的構造銷釘或螺釘在網架安裝完成之后不受力。在旋轉套簡時，它承受剪力，該剪力的大小與螺栓伸入鋼球的摩阻力有關。銷釘或螺釘宜采用高強度鋼材，其直徑可取螺徑直徑的0.16～0.18倍，不宜小于3mm。螺釘直徑可采用6～8mm。(6)銷釘或螺釘的構造91

4.支座節點的設計與構造

支座節點是網架將荷載傳遞給下部結構的連接部件，它是位于支承結構上的網架節點。(1)支座節點的形式及其適用范圍對網架進行內力分析時，要對支座節點加設一定的約束，這些約束的計算模式一般有可動鉸支承、不動圓柱鉸支承和不動球鉸支承。實際構造上，支座節點的設計應傳力可靠、構造簡單，并與其計算模型相同。根據網架結構的工程實踐，支座節點通常有平板支座、弧形支座、球鉸支座和橡膠支座等。根據支座節點的受力情況，也可以分為壓力支座節點和拉力支座節點兩大類。

4.支座節點的設計與構造

支座節點是網架將荷載傳遞給下部921)壓力支座節點最為常見的一類支座節點，可以分為平板壓力、單面和雙面弧形壓力、球鉸壓力以及板式橡膠支座節點等。a、平板壓力支座節點焊接鋼板節點網架與焊接空心球節點或螺栓球節點網架的平板壓力支座節點。1)壓力支座節點93平板壓力支座節點，構造簡單，加工方便，用鋼量較省，但是支承底板與結構支承面的應力分布不均勻，和計算假定相差較大。一般只適用于小跨度的網架。平板壓力支座節點構造對網架制作、拼裝精度及錨栓埋設位置的尺寸控制要求較嚴，易造成網架正確就位的困難。在實際工程中為了使網架拼裝方便，常不設定位錨栓，而在支座節點的底板與支承面頂板(預埋板)之間加設一塊連有埋頭螺栓的過渡板，安裝定位后將過渡板與支承面頂板(預埋板)在周邊焊接。

平板壓力支座節點，構造簡單，加工方便，用鋼量較省，但是支承底94b．單面弧形壓力支座節點在平板壓力支座節點的基礎上，在支座底板與支承面頂板間加設一呈弧形的制作墊板而成。由于弧形支座板的設置，支座節點可沿弧面轉動，從而彌補了平板壓力支座節點不能轉動的缺點。弧形支座板一般用鑄鋼制成，也可以用厚板加工而成。應用于中小跨度的網架。

b．單面弧形壓力支座節點95

c．雙面弧形壓力支座節點雙面弧形壓力支座節點又稱為搖擺支座節點。雙面弧形壓力支座節點與不動圓柱鉸支承的約束條件比較接近，但其構造較為復雜、加工麻煩、造價較高，且只能沿一個方向轉動，不利于結構的抗震。它適用于跨度大、且下部支承結構剛度較大或溫度變化較大、要求支座節點既能轉動又有一定側移的網架。c．雙面弧形壓力支座節點96

d．球鉸壓力支座節點

由一個置于支承面上的凸形實心半球與一個連于節點支承底扳的凹形半球相互嵌合，并以錨栓相連而成。螺母下設有彈簧，以適應節點的轉動。可以使支座節點沿兩個水平方向自由轉動，不產生線位移。既能較好地承受水平力，又能自由轉動，比較符合不動球鉸支承的約束條件，對抗震有利，但構造較為復雜，適用于四點支承及多點支承的網架。d．球鉸壓力支座節點97e.板式橡膠支座節點在平板壓力支座的支承底板與支承面頂板間設置一塊由多層橡膠片與薄鋼板粘合、壓制成的矩形橡膠墊塊，并以錨栓連接成一體。這種支座節點不僅可以使網架支座在不出現過大的豎向壓縮變形的情況下獲得足夠的承載力，而且橡膠墊板良好的彈性也可以產生較大的剪切變形，因而既可以適應網架支座節點的轉動要求，又能適應網架支座節點由于溫度變化、地震作用所產生的水平變位。板式橡膠支座節點適用于大、中跨度的網架結構。e.板式橡膠支座節點982)拉力支座節點分為平板拉力支座節點和單面弧形拉力支座節點，共同特點是利用連接支座節點與下部支承結構的錨栓來傳遞拉力。a．平板拉力支座節點當支座拉力較小時，可以采用與平板壓力支座節點相同的構造。此時的錨栓承受拉力。適用于跨度較小的網架。b．單面弧形拉力支座節點當支座拉力較小，且對支座的節點有轉動要求時，可以在單面弧形壓力支座節點的基礎之上構成拉力支座節點。因為錨栓承受的拉力較大，為了減小支座底板的受力，應設置錨栓承力架。這種節點主要適用于大、中跨度的網架。2)拉力支座節點99(2)支座節點板的設計計算支座節點板包括豎向的十字節點板和橫向的支座底板。網架的支座力就是通過這些支座節點板及其間的連接焊縫或再經支座墊板傳遞到下部結構的。因此，支座節點板的設計計算包括連接焊縫的計算、十字節點板的設計計算、支座底板面積和厚度的設計計算等。(3)墊板及錨栓的設計計算支座節點中常用的支承墊板主要有單、雙面弧形支座板、球鉸和橡膠墊板等。它們除傳遞支承反力之外，主要是借以模擬支座計算簡圖的約束條件，使支座節點能做轉動或水平移動。

(2)支座節點板的設計計算1002.8網架結構分析設計軟件2.8.1網架結構軟件發展概況與特點計算機技術的應用對網架結構的發展產生了非常深遠的影響。與計算機技術密切相關的有限元法是網架結構最有效、最精確的分析計算方法，結合計算機圖形學，形成了當前網架結構計算機輔助設計軟件(網架CAD)。目前，幾乎所有的網架結構的計算和設計都是由計算機軟件完成的。最初的網架分析程序，只局限于有限元計算和滿應力設計，沒有人機交互功能，需要人工輸入大量數據，實現計算所需的數據，設法減少輸人工作量和人為失誤。分析計算部分主要是進行有限元的分析、優化設計，并設法有效地提高計算速度和計算規模。后處理主要是提供設計制造所需的數據、計算書和圖形的輸出。2.8網架結構分析設計軟件2.8.1網架結構軟件發展概101目前，國內比較普遍采用的網架結構軟件有MSTCAD(輕軟登字第001號)、SFCAD(輕軟登字第002號)、MSGS(輕軟登字第003號)等。網架結構分析設計軟件主要特點：(1)適應各種平面形狀和各種體型。網格結構空間形狀多樣良好的三維顯示、交互功能，做到輸入、修改方便。(2)需要考慮各種復雜的荷載、約束條件。網架結構荷載除了靜荷載、活荷載外，還有風荷載、吊車荷載、溫度作用、地震作用等，而且要進行最不利工況組合。網架結構的邊界約束也是多種多樣，有固定約束、彈性約束、強迫位移和斜邊界等。目前，國內比較普遍采用的網架結構軟件有MSTCAD(輕軟登字102(3)充分提高計算效率。由于網架結構體量大、單元多、工況多、計算量大，軟件應采取必要措施以提高計算速度和規模，如節點編號優化、剛度矩陣分塊求解等。(4)以用鋼量最小為目標的滿應力優化的桿件設計準則。由于網架結構桿件成千上萬，設計者預先很難指定各桿件的具體截面。所以，網架結構分析軟件中桿件的優化設計是非常必要的。(5)需要繪制機械加工圖。網架結構是由工廠加工制作，然后現場組裝，大量的工作在工廠完成。因此，軟件還具有桿件下料尺寸確定、螺栓球螺孔角度計算與配件統計等功能。(3)充分提高計算效率。由于網架結構體量大、單元多、工況多、1032.8.2網架結構軟件編程原理1．網架結構的建模網架結構組成的基本元素是節點和桿件，節點又通常分為上弦節點和下弦節點。同一弦層節點相連桿件稱為弦桿，不同弦層節點相連桿件稱為腹桿。網架結構的基本網格形式都是由節點和桿件按一定規律組成，除了可以采用一般的點、線圖形輸入外，許多網架軟件已經提供了基本網格形式的自動生成。操作者只需輸入如平面尺寸、網格數、網架高度等少量參數，軟件即可自動進行節點編號、單元編號，建立結構拓撲關系，以及節點荷載和約束信息。2.8.2網架結構軟件編程原理104基本網格形式生成主要有以下三種方法：

(1)形式代數法(FormexAlgebra)形式代數法是用結構外形處理的一種數學體系，它給出了一整套的運算公式和規則，將結構外形和數學聯系起來。其思想方法是：根據網架結構的規律性，構造一種反映網架成形特性的形式函數集，編制與函數集相應的高級語言程序，將形式公式翻譯成計算機語言。這種方法在概念上比較簡單，但缺點針對每種網架形式都得構造形式函數，對于復雜的平面及不規則網架構造形式函數就變得困難，并且它對數學基礎要求頗高，不易于一般人所掌握。基本網格形式生成主要有以下三種方法：105

(2)拓撲矩陣法相對于形式代數方法，拓撲矩陣法顯得更為直觀易懂。它是一種將空間網架結構的形體用矩陣來表示的數學體系。思想方法是：先構造結構幾何外形的拓撲矩陣，由計算機程序將拓撲矩陣轉換為真實結構的幾何外形數據。節點的約束條件和荷載向量的生成也盡量地與拓撲矩陣溝通起來。(3)圖形輸入法利用如AutoCad圖形軟件，先確定幾何軸線，然后輸入節點和單元，利用拷貝、旋轉、移動、擦除等編輯功能，做到結構幾何形狀邊輸入邊顯示邊檢查，比較直觀、方便。圖形輸入用高級語言將圖形文件轉換為有限元計算數據。(2)拓撲矩陣法1062．計算原理一般情況下，網架結構按照鉸接桿單元，采用空間桁架位移法進行分析計算。假定節點為鉸接，每個節點只有三個方向的線位移，外荷載只能作用于節點上，桿件只承受軸向。桿件截面設計采用滿應力優化設計方法。通過滿應力優化，使結構桿件的應力達到或接近設計允許應力，最終達到結構用料最省的目的。但是由于網架結構是一種高次超靜定結構，而且桿件的截面規格是一組離散的數據，所以滿應力計算不可能使所有桿件達到“滿應力”，而是盡可能接近“滿應力”。3．計算機語言及應用環境目前，網架結構軟件基本上都是在Windows操作平臺上開發，一般采用Fortran和C++編寫。2．計算原理1072.8.3設計步聚以MSTCAD軟件為例，設計一個網架結構通常需要進行以下操作步驟：1．根據實際情況，選取“標準網格”(注：引號表示MSTCAD軟件操作命令)的網格形式，輸入相關數據；2．對標準網格進行調整，可以利用“坐標移動”、“起坡”、“復制”、“增加節點”、“刪除節點”、“增加桿件”、“刪除桿件”等菜單；3．如果有梁柱單元，由“桿件屬性”、“節點屬性”設定；4．添加約束、荷載。如果要考慮溫度應力和地震作用，可以在“綜合信息”中輸入；5．設定桿件截面庫規格和球節點規格；6．在“設計信息”中設定材料設計強度，選定節點類型；7．設定工況組合，以及相應的分項系數；2.8.3設計步聚1088．進行“滿應力設計”。如果桿件截面已經確定，則直接進行“驗算不調整”；9．選擇“顯示設置”菜單，查看各工況下的計算結果，如桿件軸力、節點位移、支座反力等；10．設置“配件材料庫”；11．桿件截面確定之后，對于螺栓球節點網架，進行“高強螺栓設計”然后進行“球節點設計”。而對于焊接球節點，則直接進行“球節點設計”；12．進行“支座節點設計”；13．進行“節點螺孔角度計算”，但對于焊接球網架，不需要此項工作；14．加工圖繪制。圖紙繪制過程包括“繪圖綜合信息”輸入→“布圖”→“圖紙生成”→“預演”→“轉存DWG文件”。8．進行“滿應力設計”。如果桿件截面已經確定，則直接進行“驗109

2.9網架屋面系統及防銹防火

2.9.1屋面檁條1．檁條形式與特點檁條布置在節點上，受網格大小限制，檁條的檁距一般為1.5~3m、跨度一般只有3~6m，采用實腹式檁條。實腹式檁條分為普通熱軋型鋼檁條和冷彎薄壁型鋼檁條。(1)普通熱軋型鋼檁條常用的有如下四種：1)熱軋槽鋼檁條分為普通熱軋槽鋼檁條和熱軋輕型槽鋼檁條兩種。前者因型材的厚度較厚，用鋼量較大；常用簡支檁條多為撓度控制，強度不能充分發揮。熱軋輕型槽鋼檁條雖比普通槽鋼檁條有所改進，但仍不夠理想。

2.9網架屋面系統及防銹防火

2.9.1屋面檁條1102)熱軋角鋼檁條普通角鋼檁條取材方便，用鋼量大，只適合跨度、檁距及荷載較小的情況。3)高頻焊接輕型H型檁條系引進國外先進技術生產的一種輕型型鋼，具有腹部薄、抗彎剛度好、兩主軸方向的慣性矩比較接近，以及翼緣板平直易于連接等優點。4)組合檁條。組合檁條由兩個熱軋角鋼焊成，有組合槽鋼和組合Z形鋼兩種形式。用鋼量比普通熱軋槽鋼省，焊接工作量大，適用跨度＜4m的情況。當屋面坡度i＞1／3時，Z形鋼比槽鋼截面受力更合理。2)熱軋角鋼檁條111

(2)冷彎薄壁型鋼檁條

同樣面積的冷彎型鋼檁條和普通熱軋型鋼檁條相比，前者回轉半徑可增大50％以上，慣性距和面積距約可增大50％～180％。故冷彎薄壁型鋼的受力性能好、承載能力高、整體剛度大，可以節約鋼材，減輕結構自重，制造安裝方便，是一種合理的檁條形式。目前，網架結構中使用的檁條大多為冷彎薄壁型鋼檁條。

112冷彎薄壁型鋼檁條有兩種截面形式：1)卷邊(或斜卷邊)Z形鋼檁條，適用于屋面坡度i＞l／3，屋面荷載作用線接近于其截面的彎心(扭心)。它的主平面x軸的剛度大，撓度小，用鋼量省，制造和安裝方便，在現場可疊層堆放。2)卷邊C形檁條。卷邊C形檁條，適用于屋面坡度i≤1／3的情況，其截面在使用中互換性大，用鋼量省，最為常用的檁條。冷彎薄壁型鋼檁條有兩種截面形式：1132．檁條荷載(1)永久荷載屋面材料重量、支撐及檁條結構自重。(2)可變荷載屋面均布活荷載、雪荷載、積灰荷載和風荷載。(3)荷載組合1)均布活荷載不與雪荷載同時考慮，設計時取兩者中的較大值。2)積灰荷載應與均布活荷載或雪荷載的較大值同時考慮。3)施工或檢修集中荷載不與均布活荷載或雪荷載同時考慮。4)坡度屋面(坡度為1／8～1／20)，可以不考慮風的正壓力，風荷載較大時，應驗算在風吸力作用下，永久荷裁和風荷載組合截面應力反號的情況，永久荷載的分項系數取1.0。2．檁條荷載1143．檁條計算實腹式檁條的計算可按簡支和連續兩種計算模型，分別計算兩個方向的彎距：1）對x軸，由py引起的彎矩。單跨簡支構件：跨中最大彎矩M＝pyl2／8，l為檁條的跨度。多跨連續構件：跨中和支座彎矩均近似取Mx＝pyl2／10。2)對y軸，由px引起的彎矩，無拉條時按簡支梁計算；如有拉條作為側向支撐點，按多跨連續梁計算。無拉條時，跨中彎矩My＝pxl2／10。一根拉條位于l／2時，跨中負彎矩My＝pxl2／32。兩條拉條位于l／3時，l／3處負彎矩My＝pxl2／90，跨中正彎矩My＝pxl2／360。3．檁條計算115選定檁條截面后，需做強度、平面內穩定和撓度驗算。由于屋面板能阻止檁條的側向失穩，再加上拉條的設置，一般可不驗算平面外的穩定。對金屬壓型板屋面規范容許撓度值可按l／200計算，l為檁條的跨度。4．檁條的布置、連接與構造(1)檁條布置與構造1)截面尺寸。實腹式檁條的截面高度h，一般可取跨度的1／35~1／50；檁條的截面寬度b，由截面高度h所選用的型鋼規格所確定，一般取高度的1／2~1／3。2)為使上弦桿不產生彎矩，檁條一般都位于網架上弦節點處。當采用內天溝時，邊檁應盡量靠近天溝。選定檁條截面后，需做強度、平面內穩定和撓度驗算。由于屋面板能1163)實腹式檁條的截面均宜垂直于屋面坡面。對槽鋼和Z形鋼檁條，宜將上翼緣肢尖(或卷邊)朝向屋脊方向，以減少屋面荷載偏心而引起的扭矩。4)檁條與屋面應可靠連接，以保證屋面能起到阻止檁條側向失穩和扭轉的作用，這對一般不需驗算整體穩定性的實腹式檁條尤為重要。檁條與壓型鋼板屋面的連接，檁條應通過勾頭螺栓或自攻螺絲和鍍鋅鋼支架及壓型鋼板牢固連接。3)實腹式檁條的截面均宜垂直于屋面坡面。對槽鋼和Z形鋼檁條，117(2)檁條的連接檁條端部與網架的連接應能阻止檁條端部截面的扭轉，以增強其整體穩定性。實腹式檁條與網架結構的連接處(球節點處)可設置小立柱支托。實腹式檁條連接可以按簡支方式連接，連接板焊接在支托板上，支托兩邊檁條通過螺栓和連接板固定，也可以把檁條直接焊接在連接板上；也可按連續方式連接、帶斜卷邊的Z形檁條可采用疊置搭接，卷邊C形檁條可采用不同型號的卷邊C形冷彎薄壁型鋼套置搭接。斜卷邊Z形檁條的搭接長度2a及其連接螺拴直徑，應根據連續粱中間支座處的彎矩確定。在同一工程中宜盡量減少搭接長度的類型。(2)檁條的連接118最新jzgjgsj522網架結構課件119主次檁的連接形式有平接和上下疊接。上下疊接是把次檁直接置于主檁上面的支托扳上，構造簡單，施工方便，加之屋面一般無建筑凈空要求，這種連接方式采用較多，而平接由于需加焊肋板，對檁條會產生焊接殘余應力，構造上又要比上下疊接復雜，較少采用。當荷載較大時，主檁一般選用型鋼。主次檁的連接形式有平接和上下疊接。上下疊接是把次檁直接置于主120(3)檁條的拉條和撐桿設置1)拉條的設置。檁條的拉條設置與否主要和檁條的側向剛度有關，對于側向剛度較大的輕型H型鋼檁條一般可不設拉條。對于側向剛度較差的其他實腹式檁條，為了減小檁條在安裝和使用階段的側向變形和扭轉．保證其整體穩定性，一般需在檁條間設置拉條，作為其側向支承點。當檁條跨度≤4m時，可按計算要求確定是否需要設置拉條；當屋面坡度i＞1／10，檁條跨度＞4m時，宜在檁條跨中位置設置一道拉條；當跨度＞6m時，宜在檁條跨度三分點處設兩道拉條。在槽口處還應設置斜拉條和撐桿。拉條的直徑為8～12mm，根據荷載和檁距大小取用。(3)檁條的拉條和撐桿設置1212)撐桿的設置。檁條撐桿的作用主要是限制檐檁和天窗缺口處邊檁向上或向下兩個方向的側向彎曲。撐桿的長細比按壓桿要求λ≤220，可采用鋼管、方管或角鋼做成。目前也有采用鋼管內設拉條的做法，它的構造簡單。撐桿處應同時設置斜拉條。2)撐桿的設置。檁條撐桿的作用主要是限制檐檁和天窗缺口處邊檁1223)拉條和撐桿的連接。拉條和撐桿與檁條的連接如下圖，斜拉條與檁條腹板的連接一般應予彎折，彎折的直段長度不宜過大，以免受力后發生局部彎曲。斜拉條彎折點距腹板邊距宜為10～15mm。如果條件許可，斜拉條可不彎折，而采用斜墊板或角鋼連接。3)拉條和撐桿的連接。拉條和撐桿與檁條的連接如下圖，斜拉條與1232.9.2屋面板網架結構的屋面板一般宜選用具有輕質、高強、耐久、保溫、隔熱、隔聲、抗震及防水等性能的建筑材料，同時要求材料構造簡單、施工方便，并能工業化生產。隨著新材料、新工藝的發展，可選擇的材料很多。目前，網架采用的屋面材料有彩色壓型鋼板、鋁塑復合板、純鋁板、鋁鎂鐳板、不銹鋼板、夾膠玻璃、陽光板等。鋁塑復合板價格適中，裝飾效果好，但塑料易老化、褪色，不適應惡劣氣候；純鋁板、不銹鋼板性能良好，但價格昂貴，高級板材需進口，較少采用；鋁鎂錳板價格較高，防水防銹性能好；夾膠玻璃在門廳、采光頂等小型網架中應用較多；陽光板重量輕、耐候性好、隔熱性能好、防火，加工性能良好，透光率高、價格也不貴，是較好的網架屋面材料，尤其在有采光要求時。2.9.2屋面板124當前應用最為廣泛的屋面材料是彩色壓型鋼板。彩色壓型鋼板涂層鋼板為原材料，經過輥壓冷彎成型的建筑用圍護板材。它具有自重輕、外觀、抗震性能好、安裝方便、施工速度快、防水性和密封性好、抗彎、抗腐蝕、防火性好等特點。用于彩色壓型鋼板的基板材料的金屬鍍層主要有鍍鋅、鍍鋅鋁和鍍鋁鋅三種。彩色涂層鋼板用的油漆主要有聚脂漆、改良型聚酯漆和氟碳漆等。壓型鋼板根據波高可分為高波板(波高大于70mm)和低波板(波高小于和等于70mm)。根據板型連接方式不同可分為暗扣式和明釘式。

當前應用最為廣泛的屋面材料是彩色壓型鋼板。彩色壓型鋼板涂層鋼125壓型鋼板構造要求：(1)壓型鋼板的撓度與跨度之比不應超過下列極限：屋面板坡度＜1／20時，1／250；屋面板坡度≥1／20時，1／200。(2)彩色壓型鋼板長度方向的搭接端必須與支承構件有可靠的連接，搭接部位應設置防水密封膠帶。搭接長度不宜小于下列極限：波高≥70mm的高波屋面彩色壓型鋼板：350mm波高＜70mm的低波屋面彩色壓型鋼板：250mm屋面坡度＜1／10時，250mm屋面坡度＞1／10時，200mm

壓型鋼板構造要求：126(3)鋪設高波壓型鋼板屋面時，應在檁條上設置固定支架，固定支架一般為2~3mm厚鋼帶，在現場焊接于檁條上，檁條上翼緣寬度應比固定支架寬10mm。固定支架用自攻螺釘或射釘與檁條連接，每波設一個；低波壓型鋼板可不設置固定支架，宜在波峰處采用帶有防水密封膠墊的自攻螺釘或射釘、勾頭螺栓與鎳條連接，連接點可每波設一個，但每塊壓型鋼板與同一檁條的連接不得少于3個連接件。三、天溝和馬道馬道是網架上用來懸掛或檢修燈具、設備的通道。由于網架桿件不能受彎，可在下弦節點上布置型鋼梁，馬道布置在型鋼梁上。也有把馬道直接布置在下弦桿上，但布置馬道的下弦桿截面和高強螺栓必須考慮橫向荷載的作用，做抗彎、抗剪驗算。(3)鋪設高波壓型鋼板屋面時，應在檁條上設置固定支架，固定支1272.9.4網架結構的防銹網架結構的桿件和節點采用鋼材制作，鋼材的最大缺點是容易銹蝕。銹蝕使桿件的截面減少，大大降低了網架結構的安全度和使用年限。因此必須采取有效的防銹措施。網架結構的防銹方法有三種：一是改變金屬結構的組織，在鋼材煉制過程中增加銅、鉻和鎳等合金元素以提高鋼材的抗銹能力，如采用不銹鋼材料制造網架；二是在鋼材表面用金屬鍍層保護，如電鍍和熱浸鍍鋅等方法；三是在鋼材表面涂以非金屬保護層，即用涂料將鋼材表面保護起來使之不受大氣中有害介質的侵蝕。最常見的是采用非金屬涂料的防銹方法，這種方法價格低廉，效果好，選擇范圍廣，適應性強。2.9.4網架結構的防銹128非金屬涂料防銹方法需經過表面除銹和涂料施工兩道工序。l.表面除銹表面除銹的目的是徹底清除構件表面的毛刺、鐵銹、油污及其附著物，使構件表面露出銀灰色，可增加涂層與構件表面的粘合附著力，使防護層不會因銹蝕而脫落。表面除銹的方法一般有：(1)人工除銹即用刮刀、鋼絲刷、砂皮和電動砂輪等簡單工具，用手工將鋼材表面的氧化鐵、鐵銹、油污等除去。(2)拋丸除銹在封閉房間內用鐵砂或鐵丸沖擊構件表面，以清除構件表面鐵銹、油污等雜質。拋丸除銹效果好，除銹徹底。但衛生條件很差。拋丸時應盡量避免采用石英砂和海砂。(3)酸洗和酸洗磷化除銹

非金屬涂料防銹方法需經過表面除銹和涂料施工兩道工序。129

2．涂料施工涂在鋼材表面的涂料俗稱油漆，由膜物質、顏料、有機溶劑等組成，涂刷在表面，形成一層附著堅固的涂膜，保護鋼材不受周圍侵蝕介質作用，以達到防銹蝕的目的。涂料是一種含油或不含油的膠體溶液，分為底漆和面漆兩大類。對底漆，要求對涂裝面附著力好，滲透性好，一般底漆含較多顏料、填料，以降低漆膜干燥時的收縮率，增加屏蔽