网架结构工程设计(共28页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上网架结构工程设计网架是一种新型结构，不仅具有跨度大、覆盖面积大、结构轻、省料经济等特点，同时，还有良好的稳定性和安全性。因而网架结构一出现就引起人们极大的兴趣，尤其是大型的文化体育中心多数采用网架结构，国内如长春体育馆、上海体育馆、上海游泳馆和辽宁体育馆，都别具风采。网架结构建筑结构新颖，造型雄伟壮观，场内没有一根柱子，视野开阔。网架结构的形式较多，如双向正交斜放网架、三向网架和蜂窝形四角锥网架等。网架的选型可视工程平面形状和尺寸、支撑情况、跨度、荷载大小、制作和安装情况等因素，综合进行分析确定。 网架结构的形式及种类一、网架结构的基本单元及几何不变性 1基本单元 网

2、架结构可以看作是平面桁架的横向拓展、也可以看作是平板的格构化。网架结构的起源，据说是仿照金刚钻石原子晶格的空间点阵排布，因而是一种仿生的空间结构，具有很高强度和很大的跨越能力。 网架结构是由许多规则的几何体组合而成，这些几何体就是网架结构的基本单元。常用的有：三角锥、四角锥、三棱体、正方棱柱体，此外还有：六角锥、八面体、十面体等（图1-1）网架在任何外力作用下都必须是几何不变体系。因此，应该对网架进行机动分析。图1-1网架结构的基本单元 2网架几何不变的必要条件 网架是一个铰接的空间结构，其任意一个节点有三个自由度。对于一个具有 J 个节点，m个杆件的网架，支撑于具有 r根约束链杆的支座上时，

3、其几何不变的必要条件是： m+r-3J0 或 m 3Jr （11） 如果将网架作为刚体考虑，则最少的支座约束链杆数为 6，故 6。由此可知，当m 3J-r 时，为超静定结构的必要条件；当m 3J- r 时，为静定结构的必要条件；当 m3J- r时，为几何可变体系。 3网架几何不变的充分条件 分析网架结构几何不变的充分条件时，应先对组成网架的基本单元进行分析，进而对网架的整体作出评价。 三角形是几何不变的。如果网架基本单元的外表面是由三角形所组成，则此基本单元也将是几何不变的。在对组成网架的基本单元进行分析时，一般有以下两种类型和两种分析方法。 1）两种类型： 自约结构体系 自身就为几何不变体系

4、； 它约结构体系 需要加设支承链杆，才能成为几何不变体系。 2）两种分析方法： 以一个几何不变的单元为基础， 通过三根不共面的杆件交出一个新节点所构成的网架也为几何不变；如此延伸。 列出考虑了边界约束条件的结构总刚度矩阵K ,如果亦舒|K| 0,为非奇异矩阵，网架位移和杆力有唯一解，网架为几何不变体系；如果|K|0， K为奇异矩阵，网架位移和杆力没有唯一解，网架为几何可变体系。 二、 网架结构的形式 在对网架结构分类时，采取不同的分类方法，可以划分出不同类型的网架结构型式。一般地， 1按结构组成分 1）双层网架 具有上下两层弦杆，是最常用的网架结构形式。 2）三层网架 具有上中下三层弦杆，强度

5、和刚度都比双层网架提高很大。在实际应用时，如果跨度 l50m，酌情考虑；当跨度 l80m 时，应当优先考虑。 3）组合网架 根据不同材料各自的物理力学性质，使用不同的材料组成网架的基本单元，继而形成网架结构。一般是利用钢筋混凝土板良好的受压性能替代上弦杆。这种网架结构型式的刚度大，适宜于建造活动荷载较大的大跨度楼层结构。2按支承情况分类 1）周边支承网架 周边支承网架是目前采用较多的一种形式，所有边界节点都搁置在柱或梁上，传力直接，网架受力均匀（如图 12） 。 当网架周边支承于柱顶时，网格宽度可与柱距一致；当网架支承于圈梁时，网格的划分比较灵活，可不受柱距影响。2）点支承网架 一般有四点支承

6、和多点支承两种情形，由于支承点处集中受力较大，宜在周边设置悬挑，以减小网架跨中杆件的内力和挠度（如图 13） 。 图1-2 周边支承网架 图1-3 点支承网架3）周边与点相结合支承的网架 在点支承网架中，当周边没有维护结构和抗风柱时，可采用点支承与周边支承相结合的形式。这种支承方法适用于工业厂房和展览厅等公共建筑（如图 14） 。 图1-4 周边与点相结合支承 图1-5 三边支承一边开口或两边支承两边开口4）三边支承一边开口或两边支承两边开口的网架 在矩形平面的建筑中， 由于考虑扩建的可能性或由于需要在一边或两对边上开口，因而使网架仅在三边或两对边上支承，另一边或两对边为自由边（如图 15）

7、。自由边的存在对网架的受力是不利的，为此应对自由边作出特殊处理。一级可在自由边附近增加网架层数或在自由边加设托梁或托架。对中、小型网架，亦可采用增加网架高度或局部加大杆件截面的办法予以加强。5）悬挑网架 为满足一些特殊的需要，有时候网架结构的支承形式为一边支承、三边自由。为使玩网架结构的受力合理，也必须在另一方向设置悬挑，以平衡下部支承结构的受力，使之趋于合理，比如体育场看台罩棚（图 16） 。 图 1-6 体育场看台罩棚3按照跨度分类 网架结构按照跨度分类时，我们把跨度 L30m 的网架称之为小跨度网架；跨度 30m60m为大跨度网架。此外，随着网架跨度的不断增大，出现了特大跨度和超大跨度的

8、说法，但目前还没有严格的定义。一般地，当 L90m或 120m时称为特大跨度；当 L150m或 180m时为超大跨度。 4按网格形式分类 这是网架结构分类中最普遍采用的一种分类方式，根据网架结构设计与施工规程JGJ7-91 的规定，我们目前经常采用的网架结构分为四个体系十三种网架结构型式。 1）交叉平面桁架体系 这个体系的网架结构是由一些相互交叉的平面桁架组成，一般应使斜腹杆受拉，竖杆受压，斜腹杆与弦杆之间夹角宜在 4060之间。该体系的网架有以下四种： 两向正交正放网架两向正交正放网架是由两组平面桁架互成 90交叉而成，弦杆与边界平行或垂直。上、下弦网格尺寸相同，同一方向的各平面桁架长度一致

9、，制作、安装较为简便（图 18） 。由于上、下弦为方形网格，属于几何可变体系，应适当设置上下弦水平支撑，以保证结构的几何不变性，有效地传递水平荷载。 图1-7 网架结构图示图例 图1-8 两向正交正放网架 两向正交正放网架适用于建筑平面为正方形或接近正方形，且跨度较小的情况。上海黄浦区体育馆（4545m）和保定体育馆（55.3468.42m）采用了这种网架结构型式。 两向正交斜放网架 两向正交斜放网架由两组平面桁架互成 90交叉而成，弦杆与边界成45角。边界可靠时，为几何不变体系（图 19） 。各榀桁架长度不同，靠角部的短桁架刚度较大对与其垂直的长桁架有弹性支撑作用，可以使长桁架中部的正弯矩减

10、小，因而比正交正放网架经济。不过由于长桁架两端有负弯矩，四角支座将产生较大拉力。角部拉力应由两个支座负担。 两向正交斜放网架适用于建筑平面为正方形或长方形情况。首都体育馆（99112.2m）和山东体育馆（62.774.1m）采用了这种网架结构型式。 图1-9 两向正交斜放网架 图1-10 两向斜交斜放网架 两向斜交斜放网架 两向斜交斜放网架由两组平面桁架斜向相交而成，弦杆与边界成一斜角（图 110） 。这类网架在网格布置、构造、计算分析和制作安装上都比较复杂，而且受力性能也比较差，除了特殊情况外，一般不宜使用。 三向网架 三向网架由三组互成 60交角的平面桁架相交而成（图 111） 。这类网架

11、受力均匀，空间刚度大。但也存在一定的不足，即在构造上汇交于一个节点的杆件数量多，最多可达 13 根，节点构造比较复杂，宜采用圆钢管杆件及球节点。三向网架 适用于大 跨度（L60m） ，而且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形等平面形状比较规则的情况上海体育馆（D=110m圆形）和江苏体育馆（76.888.681m八边形）较早地采用了这种网架结构型式。图1-11 三向网架 2）四角锥体系 四角锥体系网架的上、下弦均呈正方形（或接近正方形的矩形）网格，相互错开半格，使下弦网格的角点对准上弦网格的形心，再在上下弦节点间用腹杆连接起来，即形成四角锥体系网架。四角锥体系网架有五种形式，分列如下： 正放

12、四角锥网架 正放四角锥网架由倒置的四角锥体组成，锥底的四边为网架的上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆。它的弦杆均与边界正交，故称为正放四角锥网架（图 112） 。 这类网架杆件受力均匀，空间刚度比其它类的四角锥网架及两向网架好。屋面板规格单一，便于起拱，屋面排水也较容易处理。但杆件数量较多，用钢量略高。 正放四角锥网架适用于建筑平面接近正方形的周边支承情况，也适用于屋面荷载较大、大柱距点支承及设有悬挂吊车的工业厂房情况。较为典型的工程实例如上海静安区体育馆（4040m）和杭州歌剧院（31.536m） 。 图 1-12 正放四角锥网架 图 1-13 正放抽空四角锥网架 正放抽空四角锥网架

13、正放抽空四角锥网架是在正放四角锥网架的基础上，除周边网格不动外，适当抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网格尺寸扩大一倍（图 113） 。其杆件数目较少，降低了用钢量，抽空部分可作采光天窗，下弦内力较正放四角锥约放大一倍，内力均匀性、刚度有所下降，但仍能满足工程要求。 正放抽空四角锥网架适用于屋面荷载较轻的中、小跨度网架。石家庄铁路枢纽南站货棚（132132m，柱网 2424m，多点支承）和唐山齿轮厂联合厂房（84156.9m，柱网 1212m，周边支承与多点支承相结合）是采用这种网架型式较早的典型实例。 斜放四角锥网架 斜放四角锥网架的上弦杆与边界成 45角，下弦正放，腹杆与下弦在同一

14、垂直平面内（图 114） 。上弦杆长度约为下弦杆长度的 0.707 倍。在周边支承情况下，一般为上弦受压，下弦受拉。节点处汇交的杆件较少（上弦节点 6 根，下弦节点 8 根） ，用钢量较省。但因上弦网格斜放，屋面板种类较多，屋面排水坡的形成也较困难。 当平面长宽比为 12.25 之间时，长跨跨中下弦内力大于短跨跨中的下弦内力；当平面长宽比大于 2.5 之间时，长跨跨中下弦内力小于短跨跨中的下弦内力。当平面长宽比为 11.5 之间时，上弦杆的最大内力不在跨中，而是在网架 1/4 平面的中部。这些内力分布规律不同于普通简支平板的规律。 斜放四角锥网架当采用周边支承、且周边无刚性联系时，会出现四角锥体绕 z 轴旋转的不稳定情况。因此，必须在网架周边布置刚性边梁。当为点支承时，可在周边布置封闭的边桁架。适用于中、小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的方形或矩形平面情况。 上海体育馆练习馆（3535m，周边支承）和北京某机库（4854m，三边支承，开口）采用了这种网架结构型式。 图1-14 斜放四角锥网架 图1-15 星型四角锥网架 星形四角锥网架 这种网架的单元体形似星体，星体单元由两个倒置的三角形小桁架相互交叉而成（图 115） 。两个小桁架底边构成网架上弦，它们与边界成 45角。在两个小桁架交汇处设有竖杆，各单元顶点相连即为下弦杆。因此，它的上