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網架結構承重設計要點分析?

網格(網殼)結構作為壹種高次超靜定空間桿系結構,因其受力性能好(理論上構件只承受軸力)、剛度大、整體性和抗震性能好、承載力強、受支座不均勻沈降影響小、適應性強等優點,在工業與民用建築中得到廣泛應用。日益完善的計算理論和計算機技術的飛速發展,使得分析和設計任何極其復雜的三維結構成為可能。但是,如果網架結構的支撐結構、承載類型和邊界條件設計不當,將對網架結構的安全性和經濟性產生重要影響。

1.支撐結構和支撐方式

目前很多工程中,網架結構(網殼)壹般都是由專業的鋼結構公司根據預先假定的邊界約束進行設計,然後由其計算出的支座反力作為外部荷載作用在下部支撐結構上。如果將網架(網殼)和下部結構分開計算,可以用彈性約束法模擬網架支座相對於下部結構的位移,但下部結構變形引起的支座本身的位移難以準確估算,計算出的結構內力在某些情況下會與實際情況相差較大,可能給工程留下安全隱患。下部結構可以是柱、梁或其他結構形式。不僅剛度有限,具體項目的剛度也可能相差很大。在這種假設下,計算出的桿件內力、支座反力、子結構內力肯定與以網格支座剛度為實際剛度、上下結構共同工作的力學模型計算出的不同。另外,單獨計算也將上下結構的協同工作分開,使得上下結構的周期和位移計算不準確。

通常,網架的支撐可分為三種方式:周邊支撐、點支撐以及點支撐和周邊支撐的混合使用。外圍支撐是將空間桁架的外圍節點放在梁或柱上,點支撐是將空間桁架支撐大間距放在獨立的梁或柱上,柱與其他結構不相連。當網格(網殼)置於梁或柱上時,可以認為梁、柱的豎向剛度很大,忽略梁的豎向變形和柱的軸向變形。因此,網架(網殼)支撐的豎向位移為零,網架(網殼)支撐的水平變形要考慮下部結構的工作。外圍支撐網格(網殼)支撐的徑向方向,下部支撐結構應視為網格(網殼)結構的彈性約束,而點支撐網格(網殼)支撐的邊界條件應考慮水平X、Y方向的彈性約束。支撐結構的等效彈簧剛度計算如下:

1)支撐柱在水平位移方向的等效彈簧剛度為Kc=3EcIc/H3c,其中Hc為柱高;Ic:柱截面慣性矩。

2)長度為L、距梁端壹定距離處有網格支撐的簡支梁的等效彈簧剛度為Kb=3EbIbL/a2(L-a)2,其中A為作用點到梁端的距離;l:梁長;Ib:梁截面慣性矩。

3)橡膠墊支撐高度為Hp的橡膠墊支撐的支撐等效彈簧剛度為Kp=GpAp/Hp,其中Ap:橡膠墊面積;Hp:橡膠墊高。在實際工程中,經常在梁或柱的頂部增設橡膠墊彈性支座,特別是在大跨度空間網格中,以滿足溫度應力的變形要求,這就需要考慮梁或柱的彈性剛度與橡膠墊彈性剛度的疊加。當K1與K2疊加時,疊加剛度K為:1/k = 1/K65433。有k = 1/(1/k 1+1/k2)。

2.軸承(軸承節點)

結構與基礎的連接區域簡化為支座,根據其受力特點可分為五種類型:活動鉸支座(滾柱支座)、固定鉸支座、定向支座(滑動支座)、固定(端)支座和彈性(彈簧)支座。彈性支座在提供反力的同時產生相應的位移,反力與位移之比保持不變,稱為彈性支座剛度系數。彈性支撐可以提供運動約束和旋轉約束。當支座剛度與結構剛度相近時,應簡化為彈性支座。當結構的某壹部分承受荷載時(如研究結構穩定性),其相鄰部分可視為該部分的彈性支座,支座的剛度取決於相鄰部分的剛度(如將斜拉橋的斜拉索簡化為彈簧支座)。當軸承的剛度遠大於或小於這部分的剛度時,彈性軸承轉化為前四個理想軸承。

網格結構壹般支撐在柱頂或圈梁等下部支撐結構上,承重節點是指位於支撐結構上的網格節點。它不僅要在網格的支撐處連接相交的桿件,還要支撐整個網格,把作用在網格上的荷載傳遞給下部的支撐結構。因此,承重節點是網架結構與下部支撐結構之間的紐帶,也是整個結構的重要組成部分。合理的承力接頭必須受力明確,傳力簡單,安全可靠,同時結構簡單合理,制造簡便,經濟性好。

網架結構的支承節點應能安全可靠地傳遞支承反力,因此必須具有足夠的強度和剛度。在豎向荷載作用下,承重節點壹般是受壓的,但在壹些傾斜的空間網格中,局部承重節點可能承受拉力,有時還會承受水平力,所以在設計時,承重節點的結構應與其受力特點相適應。同時,支座節點的構造也應盡量符合計算假設,充分體現設計意圖。由於網架結構是高次超靜定桿系,承重節點的約束條件對桿件的節點位移和內力影響很大。結構與設計約束條件的差異會直接導致內力和支座反力的變化,有時還會引起桿件內力變號。因此,網架承重節點的設計應引起足夠的重視。網架結構設計是否安全、經濟,取決於所選擇的支撐結構、承載類型和邊界條件是否合理。因此,在具體設計中,應盡可能避免將上部網架結構和下部支撐體系分開進行分析和設計,特別是當網架支撐相對於下部結構的位移難以用彈性約束法模擬時,應將支撐結構與上部網架結構壹起建模、計算和分析,使計算結果更符合實際。

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