网架计算方法
2.2网架结构的荷载、作用与一般设计原则2.2.1 荷载类型网架结构的荷载主要是永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对永久荷载应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对偶然荷载应按建筑结构使用的特点确定其代表值。1.永久荷载作用在网架结构上的永久荷载：(1) 网架自重：网架杆件大多采用钢材，它的自重可通过计算机自动形成。也可预先估算网架单位面积自重节点自重一般占网架杆件总重的15一25。如果网架节点的连接形式己定，可根据具体的节点规格计算出其节点自重。 (2) 楼面或屋面覆盖材料自重：根据实际使用材料查建筑结构荷载规范GB 50009取用。如采用钢筋混凝土屋面板，其自重取1.01.5kN/m2；采用轻质板，其自重取0.30.7kN/m2。(3) 吊顶材料自重。 (4)设备管道自重。 上述荷载中，（1）、（2）两项必须考虑，（3）、（4）两项根据实际工程情况而定。 2 .可变荷载作用在网架结构上的可变荷载：(1)屋面或楼面活荷载：网架的屋面，一般不上人，屋面活荷载标准值为0.5kNm2。楼面活荷载根据工程性质查荷载规范取用。(2)雪荷载：雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑，取两者的大值。对雪荷载敏感的结构，基本雪压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。雪荷载的组合值系数可取0.7；频遇值系数可取0.6；准永久值系数应按雪荷载分区I、II和III的不同，分别取0.5、0.2和0。 (3)风荷载：对于周边支承且支座节点在上弦的网架，风载由四周墙面承受，计算时可不考虑风荷载。其他支承情况，应根据实际工程情况考虑水平风荷载作用。 (4)积灰荷载：工业厂房中采用网架时，应根据厂房性质考虑积灰荷载。(5)吊车荷载：悬挂吊车直接挂在网架下弦节点上，对网架产生吊车竖向荷载。桥式吊车在吊车梁上行走，通过柱子对网架产生吊车水平荷载。2.2.2 温度作用温度作用是指由于温度变化，使网架杆件产生附加温度应力，必须在计算和构造措施中加以考虑。网架结构是超静定结构，在均匀温度场变化下，由于杆件不能自由热胀冷缩，杆件会产生应力，这种应力成为网架的温度应力。温度场变化范围是指施工安装完毕(网架支座与下部结构连接固定牢固)时的气温与当地常年最高或最低气温之差。另外工厂车间生产过程中引起温度场变化，这可由工艺提出。 目前温度应力的计算方法有：采用空间杆系有限元法的精确计算方法和把网架简化为平板或夹层板构造的近似分析法。 符合下列条件之一者，可不考虑由于温度变化而引起的内力：n支座节点的构造允许网架侧移时，其侧移值应等于或大于下式的计算值：n当周边支承的网架且网架验算方向跨度小于40m时，支承结构应为独立柱或砖壁柱； n在单位力作用下，柱顶位移大于或等于上式的计算值。当网架支座节点构造沿边界法向不能相对位移时，由温度变化而引起的柱顶水平力可按下式计算：2.2.3 地震作用网架由地震引起的振动称为网架的地震反应，它包括内力、变形和位移。网架的地震反应大小不仅与外来干扰作用(地震波)的大小及其随时间的变化规律有关，还取决于网架本身的动力特性，即网架的自振周期和阻尼。由于地震的地面运动为一种随机过程，运动极不规则，网架又是空间结构，动力特性十分复杂，要正确分析网架的动力反应比较困难，常作以下简化假定：(1)结构可离散为多个集中质量的弹性体系；(2) 结构振动属于微幅振动，即结构的振动变形很小，仍属于小变形范畴。线性叠加原理可以适用；(3) 振动时结构的地基各部分作同一运动，即不考虑地面运动 的相位差的影响；(4) 结构的阻尼很小，可以忽略结构各振型之间的耦联影响。网架的地震作用取决于地面运动的加速度和网架自身固有的动力特性，可采用振型分解反应谱法和时程法进行计算。根据我国 网架结构设计与施工规程 JGJ7 - 91 规定：在抗震设防烈度为 7 度的地区，可不进行网架结构水平抗震验算。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可不进行水平抗震验算；在抗震设防烈度为 9 度的地震区，对各种网架结构均应进行水平抗震验算。水平地震作用下网架的内力，位移可采用空间桁架位移法计算。2.2.4 荷载效应组合 根据使用和施工过程中可能出现的最不利荷载进行组合。荷载组合的一般表达式为无吊车荷载和风荷载、地震作用时，网架应考虑以下荷载组合：(1)永久荷裁十可变荷载； (2)永久荷载十半跨可变荷载； (3)网架自重十半跨屋面板自重十施工荷载。后两种荷载组合主要考虑斜腹杆的变号。当采用轻屋面（如压型钢板）或屋面板对称铺设时，可不计算。当考虑风荷载和地震作用时，其组合形式可按上式计算。 考虑多台吊车竖向荷载组合时，对一层吊车的单跨厂房的网架，参与组合的吊车台数不应多于2台；对于一层吊车的多跨厂房的网架，不多于4台。吊车荷载是移动荷载，目前采用的组合方法是由设计人员根据经验选定几种吊车组合及位置，作为单独的荷载工况进行计算，在此基础上选出杆件的最大内力，作为吊车荷载的最不利组合值，再与其他工况的内力进行组合。另一种方法是使吊车荷载简化为均布荷载和其他工况进行组合。精确计算是根据吊车行走位置，以每一位置作为单独荷载工况进行计算，找出各种位置时网架杆件的最大内力，再与其他工况的内力进行组合。这种计算必须进行几十种、甚至几百种组合，计算工作量大。 2.2.5一般设计计算原则高次超静定结构，应进行外荷载作用下的内力、位移计算，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、位移进行计算。1结构内力计算一般原则 网架结构的材料都按弹性受力状态考虑，即不考虑材料的非线性性质(研究网架的极限承载力时要考虑这一因素)。基本假定：(1)节点为铰接，杆件只承受轴向力；(2)按小挠度理论计算；(3)按弹性方法分析。n非抗震设计，荷载及荷载效应组合按建筑结构荷载规范GB 50009进行计算。在截面及节点设计中，应按照荷载的基本组合确定内力计算值；在位移计算中应按短期效应组合确定其挠度。n抗震设计，荷载及荷载效应组合应按国家标准建筑抗震设计规范GB 50011确定内力设计。 n网架结构的外荷载按静力等效原则，将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。结构分析时可忽略节点刚度的影响，假定节点为铰接，杆件只承受轴向力。当杆件上作用有局部荷载时，应另考虑受弯的影响。 n根据跨度大小、网架类型及工程情况可分别按下列规定选用不同方法进行内力、位移计算：(1)空间桁架位移法：适用于各种类型、各种支承条件的网架；(2)交叉梁系差分法：可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架的计算；(3)拟夹层板法：可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥体组成的网架的计算；(4)假想弯矩法：可用于斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架的估算。 2抗震设计一般原则 n(1) 一般情况下，应允许在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。n (2) 有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。n (3) 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。n (4) 8、9度抗震设防时的大跨度和长悬臂结构，应计算竖向地震作用。 3其他设计原则网架结构的支撑条件，可根据支撑结构的刚度、支座节点的构造情况，分别假定为二向可侧移、一向可侧移、无侧移的铰接支座或弹性支承。 2.3网架结构的基本理论和分析方法2.3.1 基本假定和计算模型网架是空间杆系结构，节点连接假定为铰接，忽略节点刚度的影响，。模型试验和工程实践都表明，铰接假定是完全许可的，所带来的误差可忽略不计。网架属于平板形，受荷后网架在板平面内的水平变位小于网架挠度，挠度远小于网架的厚度，属于小挠度范畴，不必考虑因大变位、大挠度所引起的结构几何非线性性质。此外，网架结构的材料都按处于弹性受力状态而非进入弹塑性状态和塑性状态计算，即不考虑材料的非线性性质。因此，对网架结构的一般静动力计算，其基本假定可归纳为：(1)节点为铰接，杆件只承受轴向力，(2)按小挠度理论计算；(3)按弹性方法分析。网架的计算模型大致可分为4种。 1铰接杆系计算模型把网架看为铰接杆件的集合。根据每根杆件的工作状态，可集合得出整个网架的工作状态，所以每根铰接杆件可作为网架计算的基本单元。称这种铰接杆系计算模型为计算模型A。2桁架系计算模型 根据网架组成的规律，把网架作为桁架系的集合，分析时可把一段桁架作为基本单元。由于桁架系有平面桁架系和空间桁架系之分，故桁架系计算模型也可分为乎面桁架系计算模型和空间桁架系计算模型，前者称计算模型B1，后者称计算模型B2。3梁系计算模型 计算模型除基本假定外，还通过折算的方法把网架等代为梁系，再以梁段作为分析的基本单元。4平板计算模型 计算模型也与梁系计算模型相类似，要有一个把网架折算等代为平板的过程，计算后也要有一个回代过程。平板有单层普通板与夹层板之分，故平板计算模型也可分为普通平板计算模型与夹层平板计算模型。前者称计算模型D1，后者称计算模型D2。上述四种计算模型A、B、C、D中，前两者是离散型的计算模型，比较符合网架本身离散构造的特点，如果不再引入新的假定，采用合适的分析方法，就有可能求得网架结构的精确解答。后两者是连续化的计算模型，在分析计算中，必然要增加从离散折算成连续，再从连续回代到离散这样两个过程，而这种折算和回代过程通常会影响结构计算的精度。所以采用连续化的计算模型，一般只能求得网架结构的近似解。但是，连续化的计算模型往往比较单一，不复杂，分析计算方便，或可直接利用现有的解答，虽然所求得的解答为近似解，只要计算结果能满足工程所需的精度要求，这种连续化的计算模型仍是可取的。2.3.2 网架结构计算方法概述及其分类建立了网架的计算模型，下一步就需要寻找合适的分析方法来反映和描述网架的内力和变位状态，并求得内力和变位。网架结构的分析方法大致有五类：1有限元法(分析方法I)。包括铰接杆元法、梁元法等。2力法(分析方法II)。3差分法(分析方法III)。差分法有两种含义，一种是微分方程的差分解法；另一种是根据节点和杆件的间距(类似差分的步长)，给出网架的内力平衡方程和变位协调方程，其组成形式与差分方程类同，故把这种分析方法也归纳在差分法中。前者称差分法(1)，后者称差分法(2)。 4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)。如变分法、加权残数法等，但不包括微分方程的差分解法。 由上述四种计算模型及五种分析方法，使其一一对应结合，可形成网架结构的现有各种具体计算方法，即空间桁架位移法、交叉梁系梁元法、交叉梁系力法、交叉梁系差分法、混合法、网板法、假想弯矩法、下弦内力法、拟板法及拟夹层板法共十种具体计算方法。1. 空间桁架位移法铰接杆系结构的有限元分析法，以网架节点的三个线位移为未知数，采用适合于电子计算机运算的矩阵表达式分析计算网架结构。2. 交叉梁系梁元法 适用于由平面桁架系组成网架的一种计算方法。它把单元网片等代为梁元，以交叉梁系节点的挠度和转角为未知量，用有限元法来分析计算。3.交叉梁系力法主要适用于由两向平面桁架系组成网架的一种计算方法。它把桁架系等代为梁系，在交叉点处认为设有竖向连杆相连。切开连杆并以赘余力代替，使交叉梁系成为两个方向的静定梁系，根据交叉点竖向挠度相等的条件，即可按一般结构力学的力法来计算。交叉梁系力法一般不考虑网架的剪切变形，未知数约为空间桁架位移法的1/6，计算比较简便 。4交叉梁系差分法用于由两向平面桁架系组成的网架的一种计算方法。6070年代没有电算网架之前，工程设计中这类网架的计算，几乎都采用这种简化为梁系的差分分析法。在计算中以交叉梁系节点的挠度为未知数，不考虑网架的剪切变形，所以未知数的数量较小，约为空间桁架位移法的16、交叉梁系梁元法的13。我国曾采用此法编制了一些计算图表，查用方便。 5混合法直接以交叉平面桁
