大跨屋盖结构

第3章大跨屋盖结构3.1结构形式大跨钢结构按几何形状、组成方法、结构材科及受力特点的不同可分为平面结构体系和空间结构体系两大类。

属于平而结构体系的有：梁式结构（平而桁架、空间桁架），平面刚架和拱式结构。

属于空间结构体系的有：平板网架结构，网壳结构，大部分悬索结构，斜拉结构，张拉整体纠构等。

平板网架是由杆件按一定规律组成的结构，大多数为高次超静意结构。

网架具有多向传力的性能，空间刚度大，整体性好，具有良好的抗震性能，既适用于大跨度建筑，也适用于中小跨度的房屋，能覆盖各种形状的平面。

网壳是由杆件按一定规律组成的曲面结构．分单层及双层两大类。

网壳可设计成各种曲面，能充分满足建筑外形及功能方面的要求。

网壳结构主要承受压力，稳定问题比较突出。

跨度较大时，不能充分利用材料的强度。

杆件和节点的几何偏差，曲面偏离等初始缺陷对网壳内力和整体稳定影响较大。

悬索结构为一系列高强度钢索按一定规律组成的一种张力结构。

不同的支承结构形式和钢索布置可适用各种平面形状和建筑造型的要求。

钢索承受拉力，能充分利用钢材强度，因而悬索结构自重轻，可以较经济地跨越很大跨度。

悬索屋盖为柔性结构体系，设计时应注意采取有效措施保证屋盖结构在风，地震作用下有足够的刚度和稳定性。

3.2网架的形式网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。

双层网架是出上弦、下弦和腹杆组成的空间结构(图3-1)，是最常用的网架形式。

三层网架是由上弦、中弦、下弦、上腹杆和下腹杆组成的空间结构(图3-2)，其特点是增加网架高度，减小弦杆内力，减小网格尺寸和腹杆长度。

当网架跨度较大时，三层网架用钢量比双层网架用钢量省。

但由于节点和杆件数量增多，尤其是中层节点所连杆件较多，使构造复杂，造价有所提高。

3.2.1 网架结构的几何不变性分析网架为一空间铰接杆系结构，杆件布置必须保证不出现结构几何可变性。

网架结构几何不变的必要条件是：JW=rm-3≤-式中J——网架的节点数；m——网架的杆件数；r——支座约束链杆数，r≥6。

W>网架为几何可变体系；当0W=网架无多余杆件，如杆件布置合理，为静定结构；W<网架有多余杆件，如杆件布置合理，为超静定结构。

网架结构几何不变的充分条件一般可通过对结构的总刚度矩阵进行检查来判断。

满足下来条件之一者，该网架结构为几何可变体系：(1)引入边界条件后，总刚度矩阵[]K中对角线上出现零元素，则与之对应的节点为几何可变；K=，该矩阵奇异，结构为几何可变。

(2)引入边界条件后，总刚度矩阵03.2.2 双层网架的常用形式3.2.2.1 平面桁架系网架此类网架上下弦杆完全对应并与腹杆位于同一竖向平面内。

一般情况下竖杆受压，斜杆受拉。

斜腹杆与弦杆夹角宜在40°～60°之间。

(1)两向正交正放网架：在矩形建筑平面中，网架的弦杆垂直于及平行于边界，故称正放。

两个方向网格数宜布置成偶数，如为奇数，桁架中部节间应做成交叉腹杆。

由于上下弦杆组成的网格为矩形，且平行于边界，腹杆又在竖向平面内，属几何可变体系。

对周边支承网架宜在支承平面（与支承相连弦杆组成的平面）设置水平斜撑杆。

斜撑可以沿周边设置，也可以采用如图3-4所示方式布置。

对点支承网架应在支承平面内沿主桁架（支承桁架）的两侧（或一侧）设置水平斜撑杆。

两向正交正放网架的受力性能类似于两向交叉梁。

对周边支承者，平面尺寸越接近正方形，两个方向桁架杆件内力越接近，空间作用越显著。

随着建筑平面边长的的增大，短向传力作用明显增大。

(2)两向正交斜放网架两向正交斜放网架为两个方向的平面桁架垂直相交。

用于矩形建筑平面时，两向桁架与边界夹角45°。

当有可靠边界时，体系是几何不变的，无需另加支撑杆件。

各榀桁架的跨度长短不等，靠近角部的桁架跨度小，对于它垂直的长桁架起支承作用，减小了长桁架跨中弯矩，长桁架两段要产生负弯矩和支座拉力。

周边支承时，有长桁架通过角支点和避开角支点两种布置，前者对四角支座产生较大的拉力，后者角部拉力可由两个支座分担。

(3)三向网架由三个方向平面桁架按60°角相互交叉而成，上下弦平面内的网格均为几何不变的三角形。

网架空间刚度大，受力性能好，内力分布也较均匀，但汇交于一个节点的杆件最多可达13根。

节点构造较复杂，宜采用钢管杆件及焊接空心球节点。

节点构造较复杂，宜采用L>m）的多边形及圆形平面。

钢管杆件及焊接空心球节点。

三向网架适用于大跨度（60L<m）时，不够经济。

用于中小跨度（603.2.2.2四角锥体系网架四角锥体系网架是由若干倒置的四角锥按一定规律组成。

网架上下弦平面均为方形网格，下弦节点均在上弦网格形心的投影线上，与上弦网格四个节点用斜腹杆相连。

通过改变上下弦的位置、方向，并适当地抽去一些弦杆和腹杆，可得到各种形式的四角锥网架。

(1)正放四角锥网架建筑平面为矩形时，正放四角锥网架的上下弦杆均与边界平行或垂直。

上下弦节点各连接8根杆件，构造较统一。

如果网格两个方向尺寸相等且腹杆与下弦平面夹角为45°，即=（h为网架高度，s为网格尺寸），上下弦杆和腹杆长度均相等。

正放四角锥网h s/架空间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量偏大。

适用于接近方形的中小跨度网架，宜采用周边支承。

(2)正放抽空四角锥网架将正放四角锥网架适当抽掉一些腹杆和下弦杆，如每隔一个网格抽去斜腹杆和下弦杆，使下弦网格的宽度等于上弦网格的二倍，从而减小杆件数量，降低了用钢量，但刚度较正放四角锥网架弱一些。

在抽空部位可设置采光或通风天窗，由于周边网格不宜抽杆，两个方向网格数宜取奇数。

(3)棋盘形四角锥网架在正放四角锥网架基础上，保持周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空。

上弦杆为正交正放，下弦杆与边界成45°角，为正交斜放。

这种网架上弦短杆受压，下弦长杆受拉，节点汇交杆件少。

适用于小跨度周边支承情况。

(4)斜放四角锥网架将正放四角锥上弦杆相对于边界转动45°放置，则得到斜放四角锥网架。

上弦网格呈正交斜放，下弦网格为正交正放。

网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理。

下弦节点连接8根杆，上弦节点只连6根杆。

适用于中小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩形平面。

(5)星形四角锥网架星形四角锥网架的组成单元似一星体。

将四角锥地面的四根杆用位于对角线上的十字交叉杆代替，并在中心加设竖杆，即组成星形四角锥。

十字交叉杆与边界成45°角，构成网架上弦，呈正交斜放。

下弦杆呈正交正放。

腹杆与上弦杆在同一竖向平面内，星形网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。

竖杆受压，内力等于节点荷载。

当网架高度等于上弦杆长度时，上弦杆与竖杆等长，斜腹杆与下弦杆等长。

星形网架一般用于中小跨度周边支承情况。

3.2.2.3三角锥体系网架三角锥体系网架的基本单元是锥底为正三角形的倒置三角锥。

锥底三条边为网架上弦杆，棱边为网架的腹杆，连接锥顶的杆件为网架下弦杆。

三角锥网架主要有三种形式。

(1)三角锥网架三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格，上下弦节点各连90根杆件。

当网架高度为上下弦杆和腹杆等长。

三角锥网架受力均匀，整体性能和抗扭刚度好，适用于平面多边形的大众跨度建筑。

(2)抽空三角锥网架保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆，可得到抽空三角锥网架。

例如如图3-15所示的抽杆方法是沿网架周边一圈的网格不抽杆，内部从第二圈开始沿三个方向每间隔一个网格抽掉部分杆，则下弦网格成为多边形的组合。

抽杆后，网架空间刚度受到削弱。

下弦杆数量减少，内力较大。

抽空三角锥网架适用于平面为多边形的中小跨度建筑。

(3)蜂窝型三角锥网架蜂窝形三角锥网架如图3-16所示。

上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。

腹杆与下弦杆位于同一竖向平面内。

节点、杆件数量都较少，适用于周边支承，中间跨度屋盖。

蜂窝形三角锥网架本身是几何可变的，借助于支座水平约束来保证其几何不变。

3.2.3 网架选型网架的选型应结合工程的平面形状、建筑要求、荷载和跨度的大小、支承情况和造价等因素综合分析确定。

按照《网架结构设计与施工规程》（JGJ7—91）的划分：大跨度为60m 以上；中跨度为30～60m；小跨度为30m以下。

平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比（长边/短边）小于或等于1.5时，宜选用正放或斜放四角锥网架，棋盘形四角锥网架，正放抽空四角锥网架，两向正文斜放或正放网架。

对中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形三角锥网架。

平由形状为矩形的周边支承网架，当其边长比大于1.5时，宜选用两向正交正放网架，正放四角锥网架或正放抽空四角锥网架。

当边长比不大于2时，也可用斜放四角锥网架。

平面形状为矩形、多点支承的网架，可选用正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架，两向正交正放网架。

对多点支承和周边支承相结合的多跨网架还可选用两向正交斜放网架或斜放四角锥网架。

平面形状为圆形、正六边形及接近正六边形且为周边支承网架，可选用三向网架，三角锥网架或抽空三角锥网架。

对中小跨度也可选用蜂窝形三角锥网架。

3.2.3.1 三角锥体系网架网架的支承方式有：周边支承、点支承、周边支承与点支承相结合，两边和三边支承等。

(1)周边支承是在网架四周全部或部分边界节点设置支座（图3-17a,b），支座可支承在柱顶或圈梁上，网架受力类似于四边支承板，是常用的支承方式。

为了减小弯矩，也可将周边支座略为缩进，如图3-17（c），这种布置和点支承已很接近。

(2)点支承是指整个网架支承在多个支承柱上，点支承网架受力与钢筋混凝土无梁楼盖相似，为减小跨中正弯矩及挠度，设计时应尽量带有悬挑，多点支承网架的悬挑长度可取跨度的1/4～1/3（图3-18）。

点支承网架与柱子相连宜设柱帽以减小冲剪作用。

柱帽可设置于下弦平面之下（图3-19a），也可以设置与上弦平面之上（图3-19b）。

当柱子直接支承上弦节点时，也可在网架内设置伞形柱帽（图3-19c），这种柱帽承载力较低，适用于中小跨度网架。

(3)平面尺寸很大的建筑物，除在网架周边设置支承外，可在内部增设中间支承，以减小网架杆件内力及挠度（图3-20）。

(4)在工业厂房的扩建端、飞机库、船体车间、剧院舞台口等不允许在网架的一边或两边设柱子时，需将网架设计成三边支承一边自由或两边支承两边自由的形式。

对这种网架应采取设置边桁架，局部加大杆件截面或局部三层网架（图3-21）等措施加强其开口边的刚度。

3.2.3.2网架高度及网格尺寸网架的高度与与屋面荷载、跨度、平面形状、支承条件及设备管道等因素有关。

屋面荷载较大，跨度较大时，网架高度应选的大一些平面形状为圆形、正方形或接近正方形时，网架高度可取得小一些，狭长平面时，单向传力明显，网架高度应大一些。

点支承网架比周边支承网架高度要大一些。

当网架中有穿行管道时，网架高度要满足要求。