網(wǎng)架( 網(wǎng) 殼)結(jié)構(gòu)作為一種高次超靜定空間桿系結(jié)構(gòu),由于其受力性能好(理論上桿件只受軸力作用)、剛度大、整體性及抗震性能好、承載力強(qiáng)、受支座不均勻沉降影響小、適應(yīng)性強(qiáng),而計(jì)算理論的日益完善以及計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,使得對任何極其復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)成為可能,因此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域中。但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如果其支承結(jié)構(gòu)、支座型式及邊界條件設(shè)計(jì)不合理會對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成重要影響。

1. 支承結(jié)構(gòu)與支承方式

目前在很多工程中,網(wǎng)架(網(wǎng)殼)一般由專業(yè)的鋼構(gòu)公司根據(jù)事先假定的邊界約束條件進(jìn)行設(shè)計(jì),再將他們算出來的支座反力作為外加荷載作用到下部支承結(jié)構(gòu)中。把網(wǎng)架(網(wǎng)殼)和下部支承結(jié)構(gòu)分開計(jì)算,網(wǎng)架支座相對于下部結(jié)構(gòu)的位移雖然可以通過彈性約束方法模擬,但是由下部支承結(jié)構(gòu)變形帶來的支座沉陷等支座本身的變位很難估算準(zhǔn)確,算出來的結(jié)構(gòu)內(nèi)力在某些情況下會與實(shí)際情況差別較大,可能會給工程留下安全隱患。下部結(jié)構(gòu)可能是柱,也可能是梁,也可能是其他結(jié)構(gòu)形式,不僅剛度是有限的,而且具體工程剛度差異可能很大,在這種假定條件下,算出來的桿件內(nèi)力、支座反力及下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力與采用網(wǎng)架支座剛度為實(shí)際剛度且上、下部結(jié)構(gòu)共同工作的力學(xué)模型所計(jì)算出來的結(jié)果肯定是不相同的。另外,分開計(jì)算還割裂了上下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作,使得上、下部結(jié)構(gòu)的周期和位移計(jì)算均不準(zhǔn)確。

通常網(wǎng)架的支承可以分為:周邊支承、點(diǎn)支承以及點(diǎn)支承與周邊支承混合使用三種方式,周邊支承是將網(wǎng)架周邊節(jié)點(diǎn)擱置在梁或柱上,點(diǎn)支承則是將網(wǎng)架支座以較大的間距擱置于獨(dú)立梁或柱上,柱子與其他結(jié)構(gòu)無聯(lián)系。網(wǎng)架(網(wǎng)殼)擱置在梁或柱上時,可以認(rèn)為梁和柱的豎向剛度很大,忽略梁的豎向變形和柱子軸向變形,因此網(wǎng)架(網(wǎng)殼)支座豎向位移為零,網(wǎng)架(網(wǎng)殼)支座水平變形應(yīng)考慮下部結(jié)構(gòu)共同工作。在周邊支承網(wǎng)架(網(wǎng)殼)支座的徑向應(yīng)將下部支承結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)架(網(wǎng)殼)結(jié)構(gòu)的彈性約束,而點(diǎn)支承網(wǎng)架(網(wǎng)殼)支座的邊界條件應(yīng)考慮水平X和Y兩個方向的彈性約束。支承結(jié)構(gòu)的等效彈簧剛度計(jì)算有如下幾種:

1)支承柱支承
柱子水平位移方向的等效彈簧剛度為:Kc=3EcIc/H3c
式中 Hc:柱高;Ic:柱截面慣性矩。

2)兩端簡支梁支承
由長度為L,網(wǎng)架支座位于距梁端為a的簡支梁的等效彈簧剛度為:Kb=3EbIbL/a2(L-a)2
式中 a :作用點(diǎn)距梁端距離;L:梁長;Ib:梁截面慣性矩。

3)橡膠墊支座
由高度為Hp的橡膠墊支承的支座等效彈簧剛度為:
Kp=GpAp/Hp
式中 Ap:橡膠墊面積;Hp:橡膠墊高。
在實(shí)際工程中往往是在梁頂或柱頂增加橡膠墊彈性支座,特別是在大跨度網(wǎng)架中,通過橡膠墊支座以滿足溫度應(yīng)力的變形要求,這就要求考慮梁或柱彈性剛度與橡膠墊彈性剛度的疊加,當(dāng)K1與K2疊加時,由位移疊加得其疊加剛度K為:1/K=1/K1+1/K2;有K=1/(1/K1+1/K2)。

2.支座(支座節(jié)點(diǎn))

結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的連接區(qū)簡化為支座,按其受力特征分為五種:活動鉸支座(滾軸支座),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(chǎn)生相應(yīng)的位移,反力與位移的比值保持不變,稱為彈性支座的剛度系數(shù)。彈性支座既可提供移動約束,也可提供轉(zhuǎn)動約束。當(dāng)支座剛度與結(jié)構(gòu)剛度相近時,宜簡化為彈性支座。當(dāng)結(jié)構(gòu)某一部分承受荷載時(如研究結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題),其相鄰部分可看作是該部分的彈性支承,支座的剛度取決于相鄰部分的剛度(如將斜拉橋的斜拉索簡化為彈簧支座)。當(dāng)支座剛度遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)小于該部分的剛度時,彈性支座則向前四種理想支座轉(zhuǎn)化。 

圖 彈性支座與理想支座

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般都支承在柱頂或圈梁等下部支承結(jié)構(gòu)上,支座節(jié)點(diǎn)即指位于支承結(jié)構(gòu)上的網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)。它既要連接在網(wǎng)架支承處匯交的桿件,又要支承整個網(wǎng)架,并將作用在網(wǎng)架上的荷載傳遞到下部支承結(jié)構(gòu)。因此,支座節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)聯(lián)系的紐帶,也是整個結(jié)構(gòu)中的一個重要部位。一個合理的支座節(jié)點(diǎn)必須是受力明確、傳力簡捷、安全可靠,同時還應(yīng)做到構(gòu)造簡單合理,制作簡單方便,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支座節(jié)點(diǎn)應(yīng)能保證安全可靠地傳遞支承反力,因此必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。在豎向荷載作用下,支承節(jié)點(diǎn)一般均為受壓,但在一些斜放類的網(wǎng)架中,局部支座節(jié)點(diǎn)可能承受拉力作用,有時還可能要承受水平力的作用,設(shè)計(jì)時應(yīng)使支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造適應(yīng)它們的受力特點(diǎn)。同時支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造還應(yīng)盡量符合計(jì)算假定,充分反映設(shè)計(jì)意圖。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定的桿件體系,支座節(jié)點(diǎn)的約束條件對網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)位移和桿件內(nèi)力影響較大;約束條件在構(gòu)造和設(shè)計(jì)間的差異將直接導(dǎo)致桿件內(nèi)力和支座反力的改變,有時還會造成桿件內(nèi)力變號。因此對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)給予足夠的重視。
網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全、經(jīng)濟(jì),最關(guān)鍵因素首先在于所選的支承結(jié)構(gòu)、支座型式及邊界條件是否合理,為此在具體設(shè)計(jì)中我們盡可能避免將上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與下部支承系統(tǒng)單獨(dú)分析、設(shè)計(jì),尤其當(dāng)網(wǎng)架支座相對于下部結(jié)構(gòu)的位移很難通過彈性約束方法模擬時,更應(yīng)當(dāng)將支承結(jié)構(gòu)與上部網(wǎng)架一起進(jìn)行整體建模、計(jì)算分析,以使所計(jì)算出來的結(jié)果更符合實(shí)際。