空间网架结构设计

空间网架结构设计

高福聚

石油大学建筑工程系

二○○四年六月

第四章网架结构设计

4.1 网架结构的形式及种类

4.1.1 网架结构的基本单元及几何不变性

1．基本单元

网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4－1）。

图4-1 网架结构的基本单元

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。

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，其几何不变的必要条件是：

3m r J +−≥0 或 ≥3m J r − （4－1）

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。 r 由此可知，当m ≥时，为超静定结构的必要条件；当m ＝时，为静定结构的必要条件；当≤33J r −3J r −m J 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；

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：

① 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。

② 列出考虑了边界约束条件的结构总刚度矩阵 []K , 如果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 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。

4.1.2 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，强度和刚度都比双层网架提高很大。在实际应用时，如果跨度l ＞50m ，酌情考虑；当跨度l ＞80m 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4－2）。

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

一般有四点支承和多点支承两种情形，由于支承点处集中受力较大，

中杆件的内力和挠度（如图4－

3）。

宜在周边设置悬挑，以减小网架跨

图4－2 周边支承网架 图4－3 点支承网架

3）周边与点相结合支承的网架

护结构和抗风柱时，可采用点支承与周边在点支承网架中，当周边没有围

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4－

4）。

图4－4周边与点相结合支承 图4－5三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

建筑功能的要求，

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4－5）。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

3．按照跨度分类

分类时，我们把跨度L ≤30m 的网架称之为小跨度网架4．按网格形式分类

最普遍采用的一种分类方式，根据《网架结构设由一些相互交叉的平面桁架组成，一般应使斜腹杆网架

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4－6）。

图4－6 体育场看台罩棚

网架结构按照跨度；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说法，但目前还没有严格的定义。一般地，当L>90m 或120m 时称为特大跨度；当L>150m 或180m 时为超度跨度。

这是网架结构分类中计与施工规程》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受拉，竖杆受压，斜腹杆与弦杆之间夹角宜在40～60º之间。该体系的网架有以下四种：

① 两向正交正放

两向正交正放网架是由两组平面桁架互成90º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，

小的组平面桁架互成90º交叉而成，弦杆与边界成45º角体育情况。上海黄浦区体育馆（45×45m ）和保定体育馆（55.34×68.42m ）采用了这种网架结构型式。

② 两向正交斜放网架

两向正交斜放网架由两。边界可靠时，为几何不变体系（图4－9）。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

组平面桁架斜向相交而成，弦杆与边界成一斜格布置、构造、计算分析和制作安装上都比较复杂，而且受两向斜交斜放网架由两角（图4－10）。

这类网架在网力性能也比较差，除了特殊情况外，一般不宜使用。