网架(网壳)结构作为一种高度不确定的空间杆件结构,受力性能好(理论上杆件只承受轴向力),刚度大,整体性和抗震性能好,承载能力强,受支座不均匀沉降影响小,适应性强,而且计算理论的日趋完善和计算机技术的飞速发展,使得对任何极其复杂的三维结构进行分析和设计成为可能。因此,网架结构在工业与民用建筑领域中得到广泛的应用。但是,如果网架结构的支撑结构、支撑类型及边界条件设计不合理,将对网架结构的安全性和经济性产生重大影响。
1.支撑结构及支撑方式
目前,在很多工程中钢结构网架哪里有,网架(网壳)一般都是由专业钢结构公司根据预先假设的边界约束进行设计,然后将计算出的支座反力作为外荷载施加到下部支撑结构上。如果分别计算网架(网壳)和下部支撑结构,虽然可以用弹性约束法模拟网架支撑相对下部结构的位移,但是支撑本身的位移钢结构网架哪里有,比如下部支撑结构变形引起的支撑下沉等,很难准确估计。在某些情况下,计算出的结构内力可能与实际情况有较大出入,给工程留下安全隐患。下部结构可能是柱、梁,也可能是其他结构形式,不仅刚度有限,具体的工程刚度也可能相差很大。在这样的假设下,计算出的杆件内力、支座反力、下部结构内力与以网架支撑刚度为实际刚度、上下部结构共同作用的力学模型计算出的结果肯定有出入。 另外,分开计算也割裂了上、下部结构的协调工作,使得上、下部结构的周期和位移计算不准确。
通常,网架的支撑可分为周边支撑、点支撑以及点支撑与周边支撑相结合三种类型。周边支撑是将网架周边节点置于梁或柱上,点支撑是将网架支撑置于间距较大的独立梁或柱上,柱子不与其他结构相连。当网架(网壳)置于梁或柱上时,可以认为梁、柱的竖向刚度很大,忽略梁的竖向变形和柱的轴向变形,因此网架(网壳)支撑的竖向位移为零,网架(网壳)支撑的水平变形应考虑下部结构的共同作用。在周边支撑网架(网壳)支撑的径向上,应以下部支撑结构作为网架(网壳)结构的弹性约束,点支撑网架(网壳)支撑的边界条件应考虑水平X、Y方向的弹性约束。 支撑结构等效弹簧刚度的计算有几种:
1)支撑柱支撑
柱在水平位移方向的等效弹簧刚度为:Kc=3(Ec)*(Ic)/(Hc)^3
式中Hc:柱高;Ic:柱截面惯性矩。
2)两端简支梁
一根长度为L的简支梁,在距梁端一定距离处有一个格栅支撑,其等效弹簧刚度为:Kb=3(Eb)*(Ib)*L/(a^2*(La)^2)
式中a:作用点至梁端距离;L:梁长度;Ib:梁截面惯性矩。
3)橡胶垫支撑
采用高度为Hp的橡胶垫支撑的支座的等效弹簧刚度为:
Kp=Gp*Ap/Hp
其中Ap:橡胶垫面积;Hp:橡胶垫高度。
实际工程中,经常在梁或柱顶部增设橡胶垫弹性支撑,特别是在大跨度网架中,采用橡胶垫支撑是为了满足温度应力的变形要求,这就需要考虑梁或柱的弹性刚度与橡胶垫的弹性刚度的叠加。当K1、K2叠加时,通过位移叠加得到的叠加刚度K为:1/K=1/K1+1/K2;K=1/(1/K1+1/K2)。
2. 支持(支持节点)
将结构与基础的连接部位简化为支座,按其受力特点分为:活动铰支座(滚轮支座)、固定铰支座、定向支座(滑动支座)、固定(端部)支座和弹性(弹簧)支座五种类型。
弹性支撑在提供反力的同时,也产生相应的位移,反力与位移的比值不变,这个比值称为弹性支撑的刚度系数。弹性支撑既可以提供运动约束,也可以提供转动约束。当支撑刚度与结构刚度比较接近时,宜将其简化为弹性支撑。当结构的某部件受力时(如研究结构的稳定性),可将其相邻部件看作该部件的弹性支撑,支撑的刚度取决于相邻部件的刚度(如将斜拉桥的拉索简化为弹簧支撑)。当支撑刚度远大于或远小于部件刚度时,弹性支撑就转变为前四种理想支撑。
图 弹性支撑与理想支撑
网架结构一般支撑在柱顶或圈梁等下部支撑结构上。支撑节点是指位于支撑结构上的网架节点,它不仅连接在网架支撑处相接的杆件,而且起支撑整个网架的作用,并将作用在网架上的荷载传递给下部支撑结构。因此,支撑节点是网架结构与下部支撑结构之间的纽带,也是整个结构的重要组成部分。合理的支撑节点必须受力明确,力传递简单,安全可靠,同时应结构简单合理,制造简便方便,具有良好的经济性。
网架结构的支撑节点应能保证支撑反力的安全可靠传递,因此必须具有足够的强度和刚度。在竖向荷载作用下,支撑节点一般受到压缩,但在某些倾斜的网架中,局部支撑节点可能受到拉力,有时还可能受到水平力的作用。支撑节点的结构设计应适应其受力特点。同时,支撑节点的结构也应尽可能与计算假设相一致,充分体现设计意图。由于网架结构为高阶超静定杆系,支撑节点的约束条件对网架的节点位移和杆件内力影响很大;施工与设计时约束条件的差异将直接导致杆件内力和支撑反力的变化,有时甚至会引起杆件内力的变化。因此,在网架结构支撑节点的设计上应引起足够的重视。
3. 结论
网架结构设计是否安全、经济,最关键的因素在于所选用的支撑结构、支撑类型及边界条件是否合理。为此,在具体设计中,我们尽量避免对上部网架结构和下部支撑体系分别进行分析设计。特别是当网架支撑相对下部结构的位移难以通过弹性约束法模拟时,应将支撑结构和上部网架作为一个整体进行建模分析,以使计算结果更加符合实际。