弹簧卡节点及其在平板网架中应用的可行性分析
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摘要
从世界范围内空间结构的发展来看，一方面是要求不断扩大空间结构的应用
范围，另一方面又应该尽量降低结构的造价。解决这一矛盾的途径之一是：不断
研究与改进现有结构的形式和设计理论，在适合采用空间结构的建筑物中尽量对
构件做到工业化。根据这种发展要求，并在借鉴众多预制网架体系成功经验的基
础上，本文利用一种新颖的节点形式－弹簧卡节点，构造出一种新型的平板网架
结构体系－卡节点平板网架结构体系，并对其进行了可行性研究。
本文的前半部分，首先简单叙述了一些比较成功的预制网架体系，在此基础
上，将卡节点应用到平板网架结构中，提出卡节点平板网架结构体系的构想；然
后对弹簧卡节点的构成、工作机理、对刚性钢件、索的连接方式及其可定型化、
工业化、安装快速简便的优点等作了比较详细的说明，对整个结构体系的组成方
式及其优越性作了介绍。
本文的后半部分，主要论证了卡节点网架结构体系的可行性。利用几何非线
性有限元法编制了计算程序，对几个小跨度和中等跨度的卡节点平板网架进行内
力计算和设计，并将其与同样平面尺寸、网格大小、网架高度、支承条件及承受
同样恒、活荷载的正放四角锥网架作了比较。在不考虑节点的情况下，由于采用
了大量的薄壁杆件，提高了材料的抗压性能，卡节点平板网架在材料用量上节省
一些；并且由于结构本身是钢管、索、卡节点按一定的受力形态组合而成的空间
半柔性结构，在内力分布上更为均匀合理。
The development of the space structure has two requirements. One is to enlarge
the application scope of the space structure and the other is to decrease the expenses
of the structure. One of the approaches to resolve this problem is to research on and
improve the forms and the design theories of the current space structures and adopt
industrialized members. In this paper, in order to meet this development trend and
based on the successful experiences of former prefabricated plane type space truss
systems, a novel joint-spring clinch joint is used to come up with a new plane type
space truss system-spring clinch joint space truss system and the feasibility of this
new structure is also analyzed.
The whole paper can be divided into two main parts. The first part gives a simple
description of several successful prefabricated plane type space truss systems. On the
basis of their successful experiences, the spring clinch joint is applied to present a
new plane type space truss form. The composing, working mechanism, conjunctive
manner for steel tubes and cables of the spring clinch joint and its advantages are
clearly illuminated. The constitution and superiority of the new structure form are
introduced.
The second part of this paper mainly provides evidences of the feasibility of the
new structural form. Using programs developed with Visual Basic, the internal force
of several small-span spring clinch joint plane type space trusses and middle-span
spring clinch joint plane type space trusses are calculated and their members are
designed according to the codes. A comprehensive comparison is made between every
spring clinch joint plane type space truss and the corresponding rectangular square
pyramid space truss, which has the same plane dimension, grid dimension, height,
supports, and bears the equal dead load and live load as the spring clinch joint plane
type space truss. Regardless of joints, the spring clinch joint plane type space truss
consumes less steel than rectangular square pyramid space truss because many
thin-wall steel tubes are adopted and their resistances for compressive stress are
enhanced. The distribution of internal force of the spring clinch joint plane type space
truss is more even than that of rectangular square pyramid space truss because the
spring clinch joint plane type space truss is a half-flexible space structure, which is
composed of steel tubes, cables and spring clinch joints.
范围，另一方面又应该尽量降低结构的造价。解决这一矛盾的途径之一是：不断
研究与改进现有结构的形式和设计理论，在适合采用空间结构的建筑物中尽量对
构件做到工业化。根据这种发展要求，并在借鉴众多预制网架体系成功经验的基
础上，本文利用一种新颖的节点形式－弹簧卡节点，构造出一种新型的平板网架
结构体系－卡节点平板网架结构体系，并对其进行了可行性研究。
本文的前半部分，首先简单叙述了一些比较成功的预制网架体系，在此基础
上，将卡节点应用到平板网架结构中，提出卡节点平板网架结构体系的构想；然
后对弹簧卡节点的构成、工作机理、对刚性钢件、索的连接方式及其可定型化、
工业化、安装快速简便的优点等作了比较详细的说明，对整个结构体系的组成方
式及其优越性作了介绍。
本文的后半部分，主要论证了卡节点网架结构体系的可行性。利用几何非线
性有限元法编制了计算程序，对几个小跨度和中等跨度的卡节点平板网架进行内
力计算和设计，并将其与同样平面尺寸、网格大小、网架高度、支承条件及承受
同样恒、活荷载的正放四角锥网架作了比较。在不考虑节点的情况下，由于采用
了大量的薄壁杆件，提高了材料的抗压性能，卡节点平板网架在材料用量上节省
一些；并且由于结构本身是钢管、索、卡节点按一定的受力形态组合而成的空间
半柔性结构，在内力分布上更为均匀合理。
The development of the space structure has two requirements. One is to enlarge
the application scope of the space structure and the other is to decrease the expenses
of the structure. One of the approaches to resolve this problem is to research on and
improve the forms and the design theories of the current space structures and adopt
industrialized members. In this paper, in order to meet this development trend and
based on the successful experiences of former prefabricated plane type space truss
systems, a novel joint-spring clinch joint is used to come up with a new plane type
space truss system-spring clinch joint space truss system and the feasibility of this
new structure is also analyzed.
The whole paper can be divided into two main parts. The first part gives a simple
description of several successful prefabricated plane type space truss systems. On the
basis of their successful experiences, the spring clinch joint is applied to present a
new plane type space truss form. The composing, working mechanism, conjunctive
manner for steel tubes and cables of the spring clinch joint and its advantages are
clearly illuminated. The constitution and superiority of the new structure form are
introduced.
The second part of this paper mainly provides evidences of the feasibility of the
new structural form. Using programs developed with Visual Basic, the internal force
of several small-span spring clinch joint plane type space trusses and middle-span
spring clinch joint plane type space trusses are calculated and their members are
designed according to the codes. A comprehensive comparison is made between every
spring clinch joint plane type space truss and the corresponding rectangular square
pyramid space truss, which has the same plane dimension, grid dimension, height,
supports, and bears the equal dead load and live load as the spring clinch joint plane
type space truss. Regardless of joints, the spring clinch joint plane type space truss
consumes less steel than rectangular square pyramid space truss because many
thin-wall steel tubes are adopted and their resistances for compressive stress are
enhanced. The distribution of internal force of the spring clinch joint plane type space
truss is more even than that of rectangular square pyramid space truss because the
spring clinch joint plane type space truss is a half-flexible space structure, which is
composed of steel tubes, cables and spring clinch joints.
引文
参考文献
[1] 刘锡良主编，平板网架设计与施工图集，天津大学出版社，2000
[2] Z. S. Makowshi 主编，刘锡良主译著，平板网架分析、设计与施工，天津
大学出版社，2000
[3] 沈祖炎、陈扬骥，网架与网壳，同济大学出版社，1997
[4] 沈祖炎、严慧、马克俭、陈扬骥，空间网架结构，贵州人民出版社，1985
[5] 刘锡良、刘毅轩等，平板网架设计，中国建筑工业出版社，1979
[6] 董石麟、钱若军，空间网格结构分析理论与计算方法，中国建筑工业出版社，
2000
[7] 王洪军，索穹顶结构力学性能及施工过程理论分析，［硕士学位论文］，天
津大学，2002
[8] 方江生，一种新型的索杆张力结构-“弦辐穹顶”的研究分析，［硕士学位
论文］，天津大学，2003
[9] 刘尔烈主编，有限单元法及程序设计，天津大学出版社，1999
[10] 中华人民共和国国家标准，钢结构设计规范（GB 50017-2003），中国计划
出版社，2003
[11] 中华人民共和国国家标准，冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018-2002），
中国计划出版社，2003
[12] 王心田，建筑结构体系与选型，同济大学出版社，2003
[13] 国家建筑工程总局，网架结构设计与施工规定，中国建筑工业出版社，1981
[14] 网架结构设计与施工规程编制组，网架结构设计与施工－规程应用指南，
中国建筑工业出版社，1995
[15] 汪一骏、冯东、张志平主编，网架结构设计手册－实例及图集，中国建筑
工业出版社，1998
[16] 远方，超大跨度空间结构新构想——“弦辐结构”及其基础性研究，［博
士学位论文］，天津大学，1998
[17] 刘锡良，我国平板网架的发展现状，钢结构，1994
[18] 尹德钰、刘善维，钢网壳结构节点形式的综述，钢结构，1994
[19] 国家建委建研院建筑情报研究所二室，国外平板型网架结构概述，建筑
结构学报，1982
[20] 刘锡良，韩庆华，网格结构设计与施工，天津大学出版社，2004
73
参考文献
[21] 轻型钢结构设计指南（实例与图集）编辑委员会，型钢结构设计指南（实
例与图集），中国建筑工业出版社，2000
[22] 候兆欣、蔡昭昀、李秀川，轻型钢结构建筑节点构造，机械工业出版社，
2004
[23] 梅季魁、刘德明、姚亚雄，大跨建筑结构构思与结构选型，中国建筑工业
出版社，2002
[24] Alexander Newman 著，余洲亮译，金属建筑系统设计与规范，清华大学出
版社，2001
[25] 薛伟辰，现代预应力结构设计（按新规范编写），中国建筑工业出版社，2003
[26] 刘建平，钢管相贯节点的研究现状和动向，钢结构，2003
[27] 张其林，索和膜结构，同济大学出版社，2002
[28] 宗听聪，钢结构构件和结构体系概论，同济大学出版社，1999
[29] 哈尔滨建筑工程学院，大跨房屋钢结构，中国建筑工业出版社，1985
[30] 中国建筑科学研究院建筑标准设计研究所、铁道部建厂工程局勘测设计处，
轻型钢结构设计资料集，中国建筑工业出版社，1980
[31] 刘开国，正交正放索网架结构的分析，空间结构，2003，9(3)：24～27
[32] 王少军、王春红，预应力网架结构的初步研究，哈尔滨建筑大学学报，1998，
31(4)：29～31
[33] 董石麟、赵阳，我管网架结构发展中的新技术、新结构，建筑结构，1998，
31(6)：3～14
[34] 舒赣平、吕志涛，预应力网架和组合网架的分析与研究，工业建筑，1997，
27(7)：7～11
[35] 董石麟，我国大跨度空间结构的发展与展望，空间结构，2000， 6(2)：3～
13
[36] 殷志祥、巩玉发，预应力索杆组合空间网架结构研究，钢结构，2002，17
（6）：4～5
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（6）：4～5