关于大跨屋架结构的研究分析

一、结构形式
大跨结构按照几何形状、组合方式、结构材料及受力特点的不同可分为平面结构体系和空间结构体系两大类。
平面结构体系：梁式结构（平面桁架、空间桁架），平面刚架和拱式结构。
空间结构体系：平板网架结构，网壳结构，大部分悬索结构，斜拉结构，张拉结构等



二、网架的形式
网架按照弦杆的层数可分为双层网架和三层网架。三层钢架增加网架高度，减少弦杆内力、减小网架尺寸和腹杆长度，当网架跨度较大时三层网架用钢量减少，但杆件和节点的增加，比较复杂。
1 网架为一空间铰接杆系结构，杆件布置必须保证不出现结合可变性。得满足以下条件：w=3j-m-r≦0
2 双层网架的常用形式：
2.1、平面桁架系网架：上下弦杆完全对应并与腹杆位于同一竖向平面内，竖向受压，斜杆受拉。（两向正交正放网架、两向正交斜放网架、三向网架）
2.2、四角锥体系网架：由若干倒置的四角锥按照一定规律组成。（正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘型四角锥网架、斜放四角锥网架、星形四角锥网架）
2.3、三角锥体系网架：基本单元是锥底为正三角形的倒置三角锥。（三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂窝型三角锥网架）
3 网架的选型：网架的选型应结合工程的平面形状、建筑要求、荷载和跨度的大小、支撑情况和造价等因素综合分析确定。按照《网架结构设计与施工规程》（JGJ 7-91）的划分：大跨度为60m以上；中跨度为30-60m；小跨度30m以下。
3.1网架结构的支承：网架的支承方式有周边支承、点支承、周边支承与点支承结合，两边和三边支承等
3.2网架高度及网格尺寸：网架的高度与屋面荷载、跨度、平面形状、支承条件及设备管道等因素有关。
3.3网架的扰度要求及屋面排水坡度：允许扰度不得超过下列数值，用作屋盖-L2/250；用作楼面-L2/300.L2为网架的短向跨度。屋面排水一般为3%-5%。


三、网架的计算要点
网架的结构设计满足行业标准《网架结构设计与施工规程》（JGJ 7-91）的要求。
1 直接作用和间接作用：网架结构应对使用阶段荷载作用下的内力和位移计算，并应根据具体情况对地震作用、温度变化、支座沉降等间接作用及施工安装荷载引起的内力和位移进行计算。
2 网架内力分析方法：网架结构的外荷载按静力等效原则，将节点从属面积内的荷载集中作用在该节点上。分析结构内力是忽略节点刚度的影响，假定其为铰接，杆件只承受轴力。当有节间荷载时，应当同时考虑弯矩的影响。网架结构的内力和位移可按弹性阶段进行计算。根据网架类型、跨度大小按规定选用（空间桁架位移法、交叉梁系差分法、拟夹层板法、假象弯矩法）


四、空间杆系有限元法
空间杆系有限元法也称空间桁架位移法，分析时以网架的杆件为基本单元，以节点位移为基本未知量。有杆件内力与节点位移之间的关系建立单元刚度矩阵，然后根据各节点平衡及变化协调条件建立结构的节点荷载和节点位移间关系，形成结构刚度矩阵和总刚度方程。
基本假定：1、网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力。2、结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变形很小，符合小变形理论。
空间杆系有限元法计算步骤：
1、根据网架结构、荷载对称性选取计算简图，并对其节点和杆件进行编号为减小总刚度矩阵带宽，节点编号应遵循相邻节点好差最小原则
2、计算杆件单元长度及杆件与整体坐标轴夹角余弦
3、初选各杆截面积
4、建立局部和整体坐标系下的单元刚度矩阵
5、集合总刚度矩阵，减小矩阵的容量
6、建立荷载列阵
7、引入边界条件对总刚度进行处理
8、求解总刚度方程，得出各节点位移值
9、根据节点位移计算杆件内力
10、按杆件内力调整杆件的截面，并重新计算，不超过4-5次


五、网架杆件设计
网架杆件可采用钢管、热轧型钢和冷弯薄壁型钢


六、节点设计
常见的节点形式：1、焊接空心球节点 2、螺栓球节点 3、焊接钢板节点 4、焊接钢管节点 5、杆件直接汇接节点
网架的节点构造满足以下要求;1、受力合理、传力明确2、保证杆件交汇于一点，不产生附加弯矩3、构造简单，制作安装方便，耗钢量小4、避免难于检查、清刷，涂漆和容易积留湿气或灰尘的死角，管型界面应在两端封闭。


七、网壳
网壳按照层数分为单层网壳和双层网壳。按照曲面外形分类则有球面网壳、柱面网壳、双曲扁网壳、扭曲面网壳、单块扭网壳、双曲抛物面网壳及切割或组合形成曲面网壳等结构形式。
网壳结构的支承必须保证在任意竖向和水平荷载作用下结构的几何不变和各种网壳计算模型对支承条件的要求。
网壳结构应进行在外荷载作用下的内力、位移计算和必要的稳定计算，并应根据具体情况，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的内力、位移、稳定性进行计算。满足《网壳结构技术规范》JGJ 61的要求。
网壳是一个准柔性的高次超静定结构，几何非线性较一般结构明显，其整体稳定性对结构几何形状的变化也很敏感，网壳计算主要采用几何非线性的有限元法。双层网壳连接节点多采用铰接，单层网壳连接节点应采用刚接否则单元共面节点的法向刚度为零，属于几何可变。


八、悬索结构
按照索的受力特点，可将悬索结构分为：单层悬索体系、预应力双层悬索体系、预应力鞍形索网、预应力横向加劲单层索系、预应力索拱及张拉结构、悬挂薄壳张拉整体结构、索膜结构及混合悬挂结构等形式。
悬索结构一般的设计原则：悬索结构分别对使用和施工阶段进行外荷载、预应力作用的内力、位移计算，并根据具体情况对地震、温度变化等作用下的内力、位移进行计算。