1、 水 泥 科 技 SCIENCE ) HN()1 )GY OF CE 任=NT 2008N9-4 网架(网壳)结构支承方式及支座设计的探讨 张长根董哲武 (合肥水泥研究设计院 230051) 【摘 要】 在网架(网壳)结构设计中，下部支承结构、支座型式及边界条件的选定，对网架(网壳)结构的稳定性、杆件内 力、支座反力、节点位移、用钢量等至关重要。在实际设计中通过把网架和下部结构连成一体整体分析计算，选择合理的下部支 承结构及支座型式，以期使网架(网壳)结构设计更安全、经济、合理。 【关键词】 支承结构 支座型式 支座节点 边界条件 弹簧刚度 0 引言 在各类空间结构中。刚性体系中的网架(网壳)
2、 结构作为一种高次超静定空间杆系结构，由于其受 力性能好(理论上杆件只受轴力作用)、刚度大、整体 性及抗震性能好、承载力强、受支座不均匀沉降影响 小、适应性强。而计算理论的日益完善以及计算机技 术飞速发展，使得对任何极其复杂的三维结构的分 析与设计成为可能，因此网架(网壳)结构被广泛应 用于工业与民用建筑领域中。但网架(网壳)结构如 果其支承结构、支座型式及边界条件设计不合理会 对网架(网壳)结构的安全性和经济性造成重要影 响。 1 支承结构与支承方式 目前在很多工程中，网架(网壳)一般由专业的 钢构公司根据事先假定的边界约束条件进行设计， 再将他们算出来的支座反力作为外加荷载作用到下 部支承
3、结构中。把网架(网壳)和下部支承结构分开 计算，网架支座相对于下部结构的位移虽然可以通 过弹性约束方法模拟，但是由下部支承结构变形带 来的支座沉陷等支座本身的变位很难估算准确，算 出来的结构内力在某些情况下会与实际情况差别较 大，可能会给工程留下安全隐患。下部结构可能是 柱，也可能是梁，也可能是其他结构形式，不仅刚度 是有限的，而且具体工程刚度差异可能很大，在这种 假定条件下，算出来的杆件内力、支座反力及下部结 构内力与采用网架支座刚度为实际刚度且上、下部 结构共同工作的力学模型所计算出来的结果肯定是 不相同的。另外，分开计算还割裂了上下部结构的协 同工作，使得上、下部结构的周期和位移计算均不
4、准 确。 通常网架的支承可以分为周边支承、点支承以 及点支承与周边支承混合使用三种方式，周边支承 是将网架周边节点搁置在梁或柱上，点支承则是将 网架支座以较大的间距搁置于独立梁或柱上，柱子 与其他结构无联系。网架(网壳)搁置在梁或柱上时， 可以认为梁和柱的竖向刚度很大，忽略梁的竖向变 形和柱子轴向变形，因此网架(网壳)支座竖向位移 为零，网架(网壳)支座水平变形应考虑下部结构共 同工作。在周边支承网架(网壳)支座的径向应将下 部支承结构作为网架(网壳)结构的弹性约束，而点 支承网架(网壳)支座的边界条件应考虑水平x和Y 两个方向的弹性约束。支承结构的等效弹簧刚度计 算有如下几种： (1)支承柱
5、支承 柱子水平位移方向的等效弹簧刚度为：Kc= 3EcIcH。C 式中Hc一柱高；Ic柱截面惯性矩。 (2)两端简支梁支承 由长度为L，网架支座位于距梁端为a的简支 37 水 泥 科 技 9 日她AND 团(：HN()I )GY()F CE 征 1、 梁的等效弹簧刚度为：lb=3Bo bI a (I -a) 式中 a一作用点距梁端距离；I一梁长；Ib： 梁截 面惯性矩。 (3)橡胶垫支座 由高度为Hp的橡胶垫支承的支座等效弹簧刚 度为：KpGpApHp式中Ap：橡胶垫面积；Hp：橡 胶垫高。在实际工程中往往是在梁顶或柱顶增加橡 胶垫弹性支座，特别是在大跨度网架中，通过橡胶垫 支座以满足温度应力
6、的变形要求，这就要求考虑梁 或柱弹性刚度与橡胶垫弹性刚度的叠加，当K1与 K2叠加时，由位移叠加得其叠加刚度K为：1K= 1K1+1Z2；有K一1(1K1+1R2)。 2支座(支座节点) 结构与基础的连接区简化为支座，按其受力特 征分为五种：活动铰支座(滚轴支座)，固定铰支座， 定向支座(滑动支座)，固定(端)支座和弹性(弹簧) 支座。 弹性支座在提供反力的同时产生相应的位移， 反力与位移的比值保持不变，称为弹性支座的刚度 系数。弹性支座既可提供移动约束，也可提供转动约 束。当支座刚度与结构刚度相近时，宜简化为弹性支 座。当结构某一部分承受荷载时(如研究结构稳定问 题)，其相邻部分可看作是该部
7、分的弹性支承，支座 的刚度取决于相邻部分的刚度(如将斜拉桥的斜拉 索简化为弹簧支座)。当支座刚度远大于或远小于该 部分的刚度时，弹性支座则向前四种理想支座转化， 如图1所示。 k K 2 聂座 固 k 1 k 2固定铰支座 (a) k0固定铰支座 (b) k固定端支座 k0滑动支座 (c) 图1 弹性支座与理想支座 网架(网壳)结构一般都支承在柱顶或圈粱等下 网架(网壳)结构的支座节点应能保证安全可靠 部支承结构上，支座节点即指位于支承结构上的网 地传递支承反力，因此必须具有足够的强度和刚度。 架节点。它既要连接在网架支承处汇交的杆件，又要 在竖向荷载作用下，支承节点一般均为受压，但在一 支承
8、整个网架，并将作用在网架(网壳)上的荷载传 些斜放类的网架中，局部支座节点可能承受拉力作 递到下部支承结构。因此，支座节点是网架结构与下 用，有时还可能要承受水平力的作用，设计时应使支 部支承结构联系的纽带，也是整个结构中的一个重 座节点的构造适应它们的受力特点。同时支座节点 要部位。一个合理的支座节点必须是受力明确、传力 的构造还应尽量符合计算假定，充分反映设计意图。 简捷、安全可靠，同时还应做到构造简单合理，制作 由于网架(网壳)结构是高次超静定的杆件体系，支 简单方便，具有较好的经济性。 座节点的约束条件对网架的节点位移和杆件内力影 一38一 水 泥 科 技 S( ENCE AND T
9、HN()I【)GY()F CE 任 T 2008N94 响较大；约束条件在构造和设计间的差异将直接导 致杆件内力和支座反力的改变，有时还会造成杆件 内力变号。因此对网架(网壳)结构支座节点的设计 应给予足够的重视。 3边界条件的处理方法 边界条件中有固定、弹性约束、斜边界和强迫位 移等。在网架(壳)结构有限元计算中，边界条件将对 网架结构内力及变形产生较大影响。网架支承处的 边界条件既和支座节点构造有关，也和支承结构的 刚度有关，支座可以是无侧移、单向可侧移和双向可 侧移的铰接支座，支承结构(柱、梁等)可以是刚性或 弹性的。当支承结构刚度很大可忽略其变形时，边界 条件完全取决于支座构造。反过来
10、，采用不同的支座 型式，合理的改变某些边界条件，可以调整结构的刚 度减少杆件内力和支座反力的峰值，使内力分布更 为均匀合理，达到节的钢材的目的。 (1)无侧移铰接支座，支承节点在竖向，边界线 切线和法向都无位移。 (2)单向可侧移支座，竖向和边界切线方向位移 为零，而边界法向为自由。 (3)双向可侧移的铰接支座，只有竖向位移为 零，两个水平方向都为自由。 (4)在网架的四角处，至少一个角上的支座必须 是无侧移的，相邻的两角可以是单向可侧移的，相对 的角可以是双向可侧移的。这种做法既防止网架的 刚体移动，又提供了不少于6根的约束链杆数。在工 程实践中，如果温度应力不大，也可考虑四角都用无 侧移铰
11、支座。 (5)当网架支承在独立柱上时，由于它的弯曲刚 度不是很大，在采用无侧移铰支座时除竖向仍然看 作无位移外，两个水平方向应看成弹性支承，支承的 弹簧刚度由悬臂柱的挠度公式得出： Kcx=3EcIcyH3；Kcy=3EcIcxH。 式中 一支承柱的材料弹性模量； Icy、Icx分别为支承柱绕截面Y、X轴的截面 惯性矩； H支承悬臂柱长度。 (6)斜边界处理。斜边界是指与整体坐标斜交 的方向有约束的边界。建筑平面为圆形或多边形的 网架会存在斜边界(图2a)。矩形平面网架利用对称 性时，对称面也存在斜边界(图2b，c)。 图2网架的斜边界约束 斜边界有两种处理方法，一种是根据边界点的 位移约束情
12、况设置具有一定截面积的附加杆，如节 点沿边界法线方向位移为零，则该方向设一刚度很 大的附加杆，截面积A一106108(图2b)；如该节 点沿边界法线方向为弹性约束，则调节附加杆的截 面积，使之满足弹性约束条件。这种处理方法有时会 使刚度矩阵病态。另一种方法是对斜边界上的节点 位移做坐标变换(图2c)，将在整体坐标下的节点位 一39 2008N94 水 泥 科 技 9 iCE AND，IE(：HN()I_0GY()F CE 任=NT 移向量变换到任意的斜方向，然后按一般边界条件 处理。 (7)对于复杂的下部支承系统，网架(网壳)支座 相对于下部结构的位移通过弹性约束方法不易模 拟，支座节点的边界
13、条件很难确定，此时可以借助相 关的空间结构有限元分析与设计软件，直接将支承 结构上部网架(网壳)一起进行整体建模、计算分析。 这样不必另外计算支承结构的等效弹簧刚度，也避 免了简化为弹簧时的误差，计算效果更好。 4边界条件处理不当引起的问题 目前，我国计算分析网架结构和网壳结构，绝大 多数均采用空间桁架位移法及空问梁系有限元法。 网架结构设计与施工规程和网架结构设计与施 工规程应用指南都强调了计算模型必须与结 构实际符合，明确指出“结构在整体坐标系中的总刚 度矩阵K是奇异的，尚需引入边界条件以消除刚体 位移。根据边界条件来修正总刚度矩阵以使总刚度 矩阵成为正定阵”。“而边界条件处理是基于计算的
14、 目的，处理的结果可以得到边界约束的效果”。即支 座节点的设置和构造必须与结构计算分析所取的边 界条件相符并保证在任意竖向和水平荷载作用下结 构的几何不变性。 有些设计者往往忽视了这一关键问题。有的对 网架结构的受力特性或计算方法不甚了解，或为了 简化电算工作，或凭“经验”在计算周边支承的网架 时，只采用一向约束(垂直方向)，此时在特定的荷载 (竖向荷载)作用下，这种边界条件的处理方法在理 论上是不对的，也是与结构实际不相符的，众所周 1 知，如果荷载 Pi与支承反力作用线平行，虽然结 构可以承受此荷载，但该体系是处于不稳定的外部 静力平衡状态，它不能支承一个作用线不平行于这 些支承应力作用线
15、的荷载(如水平荷载等)。 由于只按一向(竖向)约束计算的网架已引起了 多起事故，其计算的内力与结构的实际内力在一批 杆件中差别较大。除数值的变化外，还会引起符号的 改变(拉杆变压杆)。其后果是部分杆件弯曲甚至可 -40 能危及整体结构的安全。 还应指出：目前通常采用的平板压力支座构造 方法不能有效的保证在水平方向自由。另外，网架一 般都支承在梁、柱或框架上，网架与其下部支承结构 应是共同工作的，它们的连续部位是协调变形，内 力、支座反力的分配都与刚度分配有关。而简单有效 的方法是将下部支承结构的等效刚度作为网架相应 支座的弹性约束刚度，直接采用空间桁架位移法求 节点位移和杆件内力。 当跨度较大
16、、体型复杂的网架(壳)结构，往往根 据结构(包括下部支承结构)的不同，力流的差异采 用多种支座形式，如在同一个工程中可采用固定、一 向约束和二向约束(滑动支座)；垂直支座与水平支 座相结合。设计者可结合结构的特点和优化，灵活采 用与结构实际相符合的支座型式和边界条件。 5 结语 通过大量工程实例分析，网架(网壳)结构设计 是否安全、经济，最关键因素首先在于所选的支承结 构、支座型式及边界条件是否合理，为此在具体设计 中我们尽可能避免将上部网架(网壳)结构与下部支 承系统单独分析、设计，尤其当网架支座相对于下部 结构的位移很难通过弹性约束方法模拟时，更应当 将支承结构与上部网架(网壳)一起进行整体建模、 计算分析，以使所计算出来的结果更符合实际。 参考文献 1中华人民共和国标准网架结构设计与施工 规程(JGJ791)北京：中国建筑工业出版社，1992。 2刘锡良，韩庆华网格结构设计与施工天津 大学出版社，2004。 E3沈世钊，陈听网壳结构的稳定性科学出 版社，1999。 4中华人民共和国标准网壳结构技术规程 (JGJ612oo3)京：中国建筑工业出版社，2003。 5尹德钰，赵红华网架质量事故分析实例及 原因分析建筑结构学报，1998(1)1523。
