網架結構重中之重--支座設計

 建筑結構 框架結構設計

網架( 網 殼)結構作為一種高次超靜定空間桿系結構，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、受支座不均勻沉降影響小、適應性強，而計算理論的日益完善以及計算機技術飛速發展，使得對任何極其復雜的三維結構的分析與設計成為可能，因此網架結構被廣泛應用于工業與民用建筑領域中。但網架結構如果其支承結構、支座型式及邊界條件設計不合理會對網架結構的安全性和經濟性造成重要影響。

網架( 網 殼)結構作為一種高次超靜定空間桿系結構，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、受支座不均勻沉降影響小、適應性強，而計算理論的日益完善以及計算機技術飛速發展，使得對任何極其復雜的三維結構的分析與設計成為可能，因此網架結構被廣泛應用于工業與民用建筑領域中。但網架結構如果其支承結構、支座型式及邊界條件設計不合理會對網架結構的安全性和經濟性造成重要影響

1. 支承結構與支承方式

  目前在很多工程中，網架（網殼）一般由專業的鋼構公司根據事先假定的邊界約束條件進行設計，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構中。把網架（網殼）和下部支承結構分開計算，網架支座相對于下部結構的位移雖然可以通過彈性約束方法模擬，但是由下部支承結構變形帶來的支座沉陷等支座本身的變位很難估算準確，算出來的結構內力在某些情況下會與實際情況差別較大，可能會給工程留下安全隱患。下部結構可能是柱，也可能是梁，也可能是其他結構形式，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，算出來的桿件內力、支座反力及下部結構內力與采用網架支座剛度為實際剛度且上、下部結構共同工作的力學模型所計算出來的結果肯定是不相同的。另外，分開計算還割裂了上下部結構的協同工作，使得上、下部結構的周期和位移計算均不準確。

  通常網架的支承可以分為：周邊支承、點支承以及點支承與周邊支承混合使用三種方式，周邊支承是將網架周邊節點擱置在梁或柱上，點支承則是將網架支座以較大的間距擱置于獨立梁或柱上，柱子與其他結構無聯系。網架（網殼）擱置在梁或柱上時，可以認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，因此網架（網殼）支座豎向位移為零，網架（網殼）支座水平變形應考慮下部結構共同工作。在周邊支承網架（網殼）支座的徑向應將下部支承結構作為網架（網殼）結構的彈性約束，而點支承網架（網殼）支座的邊界條件應考慮水平X和Y兩個方向的彈性約束。支承結構的等效彈簧剛度計算有如下幾種：

1）支承柱支承

柱子水平位移方向的等效彈簧剛度為：Kc=3(Ec)*(Ic)/(Hc)^3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，網架支座位于距梁端為a的簡支梁的等效彈簧剛度為：Kb=3(Eb)*(Ib)*L/(a^2*（L-a）^2)

式中 a ：作用點距梁端距離；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=Gp*Ap/Hp

式中 Ap：橡膠墊面積；Hp：橡膠墊高。

  在實際工程中往往是在梁頂或柱頂增加橡膠墊彈性支座，特別是在大跨度網架中，通過橡膠墊支座以滿足溫度應力的變形要求，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）。

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2．支座（支座節點）

  結構與基礎的連接區簡化為支座，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生相應的位移，反力與位移的比值保持不變，稱為彈性支座的剛度系數。彈性支座既可提供移動約束，也可提供轉動約束。當支座剛度與結構剛度相近時，宜簡化為彈性支座。當結構某一部分承受荷載時（如研究結構穩定問題），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）。當支座剛度遠大于或遠小于該部分的剛度時，彈性支座則向前四種理想支座轉化。

彈性支座與理想支座

  網架結構一般都支承在柱頂或圈梁等下部支承結構上，支座節點即指位于支承結構上的網架節點。它既要連接在網架支承處匯交的桿件，又要支承整個網架，并將作用在網架上的荷載傳遞到下部支承結構。因此，支座節點是網架結構與下部支承結構聯系的紐帶，也是整個結構中的一個重要部位。一個合理的支座節點必須是受力明確、傳力簡捷、安全可靠，同時還應做到構造簡單合理，制作簡單方便，具有較好的經濟性。

  網架結構的支座節點應能保證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，支承節點一般均為受壓，但在一些斜放類的網架中，局部支座節點可能承受拉力作用，有時還可能要承受水平力的作用，設計時應使支座節點的構造適應它們的受力特點。同時支座節點的構造還應盡量符合計算假定，充分反映設計意圖。由于網架結構是高次超靜定的桿件體系，支座節點的約束條件對網架的節點位移和桿件內力影響較大；約束條件在構造和設計間的差異將直接導致桿件內力和支座反力的改變，有時還會造成桿件內力變號。因此對網架結構支座節點的設計應給予足夠的重視。

3. 總結

  網架結構設計是否安全、經濟，最關鍵因素首先在于所選的支承結構、支座型式及邊界條件是否合理，為此在具體設計中我們盡可能避免將上部網架結構與下部支承系統單獨分析、設計，尤其當網架支座相對于下部結構的位移很難通過彈性約束方法模擬時，更應當將支承結構與上部網架一起進行整體建模、計算分析，以使所計算出來的結果更符合實際。