2.网架结构(下)

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二、杆件的计算长度和容许长细比
回顾:压杆稳定
Pcr
Pcr Pcr
π EI Pcr 2 ( l )
Pcr Pcr
2
Pcr
l/2 l/4 l
l/4
1.0
0.5
2.0
l
0.7
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0.7l
l
2l
回顾:钢屋架的计算长度系数
弹性嵌固 作用
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网架杆件计算长度系数 杆件 弦杆 螺栓球 1.0
直接承受动力荷载杆件要求具有更大刚度 低应力、小规格受拉杆件,长细比宜按压杆控制
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三、杆件的容许最小截面尺寸
1) 普通角钢不宜小于L50x3 2) 钢管不宜小于Ф48x3
3) 跨度较大的网架,不宜小于Ф60x3.5
四、杆件的截面计算
1)轴心受拉 2)轴心压杆

N f A l l [l ] rmin
球体
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1)空心球的设计与计算
① 空心球外径的确定
己知腹杆与下弦杆轴线间的夹角为=59°:
D d 1 2a d 2
60 80 2 10

D min
p 59 180
155 (mm)
本题取空心球外径=180mm。D≤300mm,不需加肋。 ② 空心球壁厚的确定 根据构造要求,空心球壁厚应满足如下条件: t=(1/25~1/45)D=4~7.2mm;
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2005年7月8日内蒙古新丰 热电厂网架垮塌,导致6人死
亡,8人受伤。经调查,部分
高强螺栓紧固不到位是事故 主要原因之一。 1996年10月30日,辽宁营 口一座50m高通讯塔在7~8级 风作用下倒塌。经调查,风荷 载引起的塔架扭转振动及螺栓 球松动是事故主要原因。
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③ 焊接钢板节点
当 < 0 时为几何可变体系
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网架几何不变的充分条件 1)以三根不共面的杆件汇交所构成的网架单 元为几何不变体系。 2)当网架杆系组成的多面体表面全部由三角 形包围时,是几何不变的。
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几何可变单元可通过加设杆件或支承链杆使 其成为几何不变体系。
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§2.4 网架结构设计
2.4.1 杆件设计

N f A l l [l ] rmin
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五、杆件的截面选择原则
1) 每个网架所选截面规格不宜太多;尽可能不选用 同径不同厚杆件。 2) 宜选用薄壁截面,使杆件获得较大回转半径,对
杆件受压有利
3) 选用市场能供应的规格 4) 钢管出厂一般均有负公差,故选择截面时应适当 留富余量,应力比控制在0.9以下 5) 相邻弦杆的截面积之比不宜超过1.8倍,以保证刚 度连续性
《大跨空间结构》之
2.网架结构 (下)
Plate-like Space Truss
主讲人:钱宏亮
§2.3 网架结构分析
2.3.1 荷载作用 2.3.2 有限元分析方法
2.3.3 几何不变性分析
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§2.3.1 荷载作用
1.永久荷载 (1)自重(2)屋面(3)吊顶 (4) 设备管道 2.可变荷载 (1)屋面活载(2)屋面雪荷载(3)风荷载

频谱相当密集 (需考虑多振型组合)
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
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网架地震分析可采用振型分解反应谱法或时程分析法 • 采用振型分解反应谱法时,宜至少取前10~15个振型; • 采用时程分析法时,应选用不少于两组的实际强震记录 和一组人工模拟加速度时程曲线; • 应考虑支承结构对网架受力的影响,1)进行整体建模分 析;2)把支承结构简化为弹性支座分析; • 在抗震设防烈度为8度的地区,对于周边支承的中小跨度 网架,应进行竖向抗震验算;对于9度地区或其他类型网 架,均应进行竖向和水平抗震验算。
(4)积灰荷载(5)吊车荷载
3. 温度应力
4. 地震作用 (水平,竖向)
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★ 补充说明
1)双层网架自重估算
G (kg/m )
100 80

网架自重(kg/m2)
2
qw=2.0kN/m
60 40 20 0 20
2 2
L G qw 1.5
qw — 除网架自重外的荷载标准值 (kN/m2) L— 网架的短向跨度(m)
§2.3.3 几何不变性分析
用程序计算时,如出现挠度特别大等不合理
情况,则该网架有可能为几何可变。此时,应对
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
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网架几何不变的必要条件
对于具有 J 个节点 m 根杆件的网架,支承于有 r
根连杆的支座上时,其几何不变的必要条件为:
m + r - 3J 0 当 = 0时为静定结构 当 > 0 时为超静定结构
壁厚: tb = D /(25~45) tb = (1.5~2.0) tpmax tb ≥4mm
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2、空心球节点承载力计算
当空心球直径为120~900mm时,其受压和受拉承载 力设计值NR可按下式计算:
NR ( 0 . 29 0 . 54 d )p tdf
D
D —— 空心球外径(mm)
2.4.2 节点设计与构造
2.4.3 防腐与防火设计
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网架结构设计中最主要的两个问题是: 1)避免受压杆件屈曲
2)使节点有效传递荷载
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§2.4.1 杆件设计
一、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
3.铰接杆系模型
KU P
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空间桁架位移法计算流程图
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三、网架结构分析流程
结构几何建模 施加荷载 赋材料属性 添加边界条件
赋杆件截面初值 N 结构受力分析
结构性能评价 Y 杆件、节点设计
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(静力、动力、稳定) (内力、位移)
★ 补充说明
网架为多次超静定结构,截面调整将引起内力重分布
注意:为简化施工,需将外径相近的空心球进行规格归并。
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例题: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Q235,钢 焊条为E43型焊条,手工焊接。
15.01kN
19.18kN
φ 60×2 φ 80×3.5
59°
φ 60×2
φ 80×3.5 137.76kN
170.95kN
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§2.4.2 节点设计与构造
节点是影响网架安全性、工艺性和经济性的重 要因素。
• 节点破坏往往会导致严重工程事故 • 节点连接方式决定了网架的施工工艺
• 节点的重量一般为网架总重量的20~25%
连接节点
支座节点
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一、杆件连接节点类型
① 焊接空心球节点
• 分为不加肋和加肋两种,适用于连接钢管杆件
t =(1.5~2.0) tpmax =4.2~7.0mm;且 t ≥4mm;
参照上述结果取t =6mm。
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③ 空心球承载力验算
d N R 0.29 0.54 p tdf D 80 0.29 0.54 3.14 6 80 215 180 171.7kN 170.95kN
腹杆 支座腹杆
1.0 1.0
节点 焊接球 0.9 0.8 0.9
板节点 1.0
0.8 1.0
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网架杆件的容许长细比:
1) 受压杆件
2) 受拉杆件 a)一般杆件 b)支座附近杆件 c)直接承受动力荷载


[λ]≤180
[λ]≤400 [λ]≤300 [λ]≤250
支座附近杆件有时会产生变号,故要求严格一些
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⑤ 铸钢节点
具有承载力高、抵抗变形能力强、设计自由度大、 外形美观等特点,由于避免或降低了构件相接处的应力
集中程度,特别适用于受力大、连接复杂的节点。
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二、焊接空心球节点设计与构造 1、球体尺寸
直径:
D (d1 2a d2 ) /
a — 管间间距,>10mm
— 管间夹角,rad
EA EA
45°
2EA EA EA
45°
10EA EA EA
45°
EA
F
F

F


竖杆内力:0.58F 斜杆内力:0.29F
竖杆内力:0.72F 斜杆内力:0.18F
竖杆内力:0.93F 斜杆内力:0.05F
因此并非循环次数越多越好,原则上两次截面相差 不超过5%即可(通常3-4次)。
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• 要求焊缝与钢管等强 • 开坡口,留缝隙;
• 管壁大于4mm时,加衬管
2)加劲肋的设置
• 球径大于300mm宜设肋, 大于500mm应设肋
• 肋板应设在主杆平面内
• 肋板厚度不小于球壁厚
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4、空心球节点设计步骤 1)估算空心球直径;
2)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; 4)进行杆件与空心球焊缝连接设计。
• 优点是制造简单,具有自动对中和‘万向’性质 • 缺点是球体存在应力集中,焊接难度大
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② 螺栓球节点
由钢球、高强螺栓、套筒、销子(或止紧螺钉)和 锥头(或封板)组成,适用于连接钢管杆件。 拉力 → 钢管→ 锥头或封板 → 螺栓 → 钢球 优点:工厂化程度高,安装快捷,便于拆卸; 压力 → 钢管 → 锥头或封板 → 套筒 → 钢球 缺点:精度要求较高,安装质量不易控制。
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§2.3.2 有限元分析方法
一、基本假定
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。 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
应注意在实际 构造中符合这 些假定。
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二、网架结构计算模型和分析方法
计算模型 1.平板模型 2.梁系模型 分析方法 a.微分方程解法 空间桁架位移法 b.差分法 d.有限元法
由十字节点板 1 和盖板 2组成,主要用于角钢杆件。杆
件与节点板的连接可以用焊接,也可以采用螺栓连接。受力
与角钢桁架的节点板类似。
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④ 相贯连接节点
将网架腹杆 ( 支管 ) 的端部经机械加工成相贯面后, 直接焊在弦杆(主管)上,也可以将一个方向的弦杆焊在 另一个方向的弦杆上。 优点是节点用钢量少,但是加工精度要求很高。 设计时要注意主管的局部屈曲问题。
d —— 主钢管杆件的外径(mm) f —— 钢材的抗拉强度设计值(N/mm2)
• 当空心球直径大于500mm时,乘0.9折减;
• 设加劲肋时,受压提高1.4倍,受拉提高1.1倍。
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思考:如何提高焊接空心球的抗压承载力?
球内灌浆
钢管穿通
加平行双肋
十字肋
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3、空心球节点连接构造
1)钢管与球的连接
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4)温度应力
钢结构的温度应力为:
温度应力与 支座约束密 切相关。
t E t
— 钢材的线膨胀系数,1.2×10-5 /℃
E— 钢材的弹性模量,2.06×105 N/mm2

对于两端固定的杆件,每变化1℃引起的温度应力约 为2.5N/mm2 对于可自由变形的杆件,每变化1℃引起的温度变形 为1.2×10-5L
e)H型钢
f)方管
应尽量采用薄壁管形截面
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圆钢管具有回转半径大、各向同性、防腐性能好等特 点,是目前最常用截面形式。

圆钢管有高频电焊钢管及无缝钢管两种。应尽量采用
高频电焊钢管,以节约造价 。 热轧 无缝钢管 冷拔 直缝 焊接钢管
螺旋Βιβλιοθήκη Baidu
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a 100 0.638 b 100 0.555
L Eat u 1 2EAm 0.038 f
Am—— 支承平面弦杆截面积算数平均值(mm2) ——系数,正交正放=1.0,正交斜放=1.414,三向=2.0
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既允许温度变形又能有效抵抗侧向力 的支座设置
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单向滑动支座
板式橡胶支座
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5)地震作用 网架结构的自振频率和振型具有如下特点:
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温度变化范围是指施工安装完毕时的气温与 当地常年最高或最低气温之差。 网架支承平面弦件的温度应力大于非支承平 面杆件,边缘区域的杆件大于中间区域。

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符合下列条件之一者,可不考虑温度应力:
1. 支座节点的构造允许网架侧移,且允许侧移值大于或
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40m,且支承 结构为独立柱; 3. 在单位力作用下,柱顶位移值大于或等于下式计算值:
qw=1.5kN/m
qw=0.8kN/m
2
40
60
80
100
L (m)
网架杆件自重随跨度变化
• 网架节点自重一般占网架总重的20%-25%。
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2)网架屋面自重估算
• 轻(金属)屋面:0.3kN/m2 • 保温玻璃屋面: 1.0kN/m2 • 重屋面: 约1.5kN/m2
3)雪荷载
• 雪荷载与屋面活荷载不 同时考虑,取大值; • 应考虑雪荷载的不均匀 分布
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