5网架结构

5.1.2 网架的形式与分类
1. 网架的形式 平面结构体系: 梁式结构（平面桁架、空间桁架），平面刚架和拱式结构 空间结构体系:
平板网架结构，网壳结构，悬索结构，斜拉结构，张拉整体结构等
我国采用平板网架结构最早的是上海师范学院球类房（1954年建成），采 用了31.4m×40.5m的正放四角锥网架。 1966年天津市科学宫采用了斜放四角锥网架，平面尺寸14.84m×23.32m ， 网架高度1m，网格为7×11，采用3号钢（相当于目前的Q235钢），由高 频焊接管组成，周边简支于钢筋混凝土圈梁上，耗钢量只有6.26kg/m2。 使用前，对6.36m×10.6m的3×5个网格的1/5模型进行了试验，在第一根 压杆失稳时，荷载为设计荷载的2.1倍，证明结构安全可靠。 网架按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架。
a.正放四角锥网架:以
倒四角锥为组成单元，锥底 的四边为网架的上弦杆，锥
棱为腹杆，建筑平面为矩形
时，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。正放 四角锥网架的杆件受力比较 均匀，板的规格单一，便于 起拱，屋面排水相对容易处 理，但因杆件数目较多，其 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。
b.两向正交斜放网架: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为45°。两向正交斜放网架中平面桁架与边
界斜交，各片桁架长短不一，而其高度又基本相同，因此，靠近角部的短
桁架相对刚度较大，对与其垂直的长桁架有一定的弹性支承作用，从而减 少了长桁架跨中正弯矩。所以，在周边支承时，有长桁架通过角支点（图
d.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，节点处汇交的杆件 相对较少，用钢量较省。但是， 当选用钢筋混凝土屋面板时， 因上弦网格呈正交斜放使屋面 板的规格较多，屋面排水坡的 形成较为困难。若采取金属板 材如彩色压型钢板、压型铝合 金板作屋面板，此问题要容易处理一些。安装斜放四角锥网架时宜 采用整体吊装，如欲分块吊装，需另加设辅助链杆以防止分块单元 几何可变。
c.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。这种网架也 具有短压杆、长拉杆的特 点。由于周边为满锥，因 此它的空间作用得到保证。 用于小跨度周边支承情况。
1. 网架结构的支承
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 :在网架四周全部或部分边界节点设置支座（图5.1.17a, 图5.1.17b)，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5.1.17c，这种布置和点支承已很接近。
国家大剧院（肋环型空腹双层网壳）
2)平面网架（平板网架） 平面网架是由杆件按一定规律组成的结构。网架具有多向传力的性 能，空间刚度大，整体性能好，且有良好的抗震性能，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。 Ｉ.平面桁架系网架:上下弦杆完全对应并与腹杆位于同一竖向平面 内。竖杆受压，斜杆受拉。斜腹杆与弦杆类角宜在40°～60°之间。 a.两向正交正放网架:两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，分别与 边界方向平行。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。
第5章 网架结构
主要内容：
5.1 网架结构概述 5.2 网架结构的荷载和作用 5.3 网架结构的设计和计算 5.4 网架结构的杆件设计和节点构造
重点：
网架的形式
网架的设计计算
网架的节点构造
5.1 网架结构的概述
5.1.1 网架结构的定义及其特点 网架结构是有多根杆件按一定的网格形式通过节点连接而构成 大跨度覆盖的空间结构。空间网架结构具ห้องสมุดไป่ตู้以下特点： 1.网架结构整体性好、空间刚度大、结构稳定。 2.网架结构靠杆件的轴力传递载荷，材料强度得到充分利用，既 节约钢材，又减轻了自重。 3.网架结构自重轻，地震力就小，钢材具有良好的延伸性，可吸 收大量地震能量，网架空间刚度大，抗震性能优良。 4.网架结构高度小，可有效利用空间，普通钢结构高跨比为1/8— 1/10，而网架结构高跨比只有1/14—1/20。 5.建设速度快：网架结构构件尺寸和形状大量相同，可在工厂成批 生产，质量好、效率高、不与土建争场地，现场工作量小，工期缩短。 6.网架结构轻巧，能覆盖各种形状的平面，又可设计成各种各样 的体形，造型美观大方。
b.正放抽空四角锥网架: 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，构造简单，经济效果 好，起拱比较方便。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。
5.1.5）和避开角支点（图5.1.6）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。
c.三向网架:三个方向的竖向 平面桁架互成60°角斜向交叉。 上下弦平面内的网格均为几何不变 的三角形，因此，这种网架是由若 干以稳定的三棱体作为基本单元所 组成的几何不变体系。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
双层网架是由上弦、下弦和腹杆组成的空间结构，是常用的网 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间结构，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。
III.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（图5.1.14a)。 锥底三条边为网架上弦杆， 棱边为网架的腹杆， 随着三角锥单元体布置的 不同，上、下弦网格可为正 三角形或六边形，从而构成 不同的三角锥网架，主要有 三种形式。 三角锥网架 、抽空三角锥网架 蜂窝形三角锥网架
2 .网架的分类 按外形分类，可分为曲面网架、平面网架。 1)曲面网架（网壳） 曲面网架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。曲面网架结构主要承受压力， 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 缺陷对曲面网架内力和整体稳定影 响较大。它利用了一定起拱度来实现外力的空间传递，而多余的上凸增加了 建筑容积，但是巨大的推力使其施工困难，材料消耗大。
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。 三向网架适用于三角形、六边形、多边形和圆形并且跨度较大的建筑平面。
当用于圆形平面时，周边将出现一些不规则网格，需另行处理。三向网架的
节间一般较大，有时可达6m以上。
II.四角锥体系网架 这类网架是由若干倒置的四角锥（图5.1.8）按一定规律组成。 网架上下弦平面均为方形网格，上、下弦网格相互错开半格，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，并适当地抽取一些弦杆和腹 杆，可得到各种形式的四角锥网架。这类网架的腹杆一般不设竖 杆，只有斜杆。仅当部分上、下弦节点在同一竖直直线上时，才需 要设置竖腹杆。
c.蜂窝形三角锥网架 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， 中小跨度屋盖。 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。
5.1.3 网架结构的选型 选择网架结构的形式时，应考虑一下因素： 建筑的平面形状和尺寸、 网架的支承方式、 荷载大小、 屋面构造、建筑构造和要求、 制作安装方法及材料供应情况等。 按照《空间网格结构技术规程》（ JGJ 7-2010 ）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 交斜放或正放网架。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。
平面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。
（2）点支承网架：可以置于4个或多个支承上，前者称为四点支承 网架，后者称为多点支承网架。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，多点支承网架的悬挑长度可 取跨度的1/4~1/3(图5.1.18)。 点支承网架与柱子相连宜设柱帽以减小冲剪作用。
(3)周边支承与点支撑混合网架:是指在点支承网架中，当周边没有 维护结构和抗风柱时，可采用周边支承与点支承混合的形式。这种 支承方式适用于厂房和展览厅等公共建筑。（图5-20）。
(4)三边支承或两边支承网架（图5.1.21） 在矩形平面建筑中，由于考虑扩建的可能性或由于建筑功能的要 求，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，另一边或两对边处理成自由边。在自由边附近增加网架的层 数，或者在自由边加设托梁、托架。对中、小型网架亦可选择增加 网架高度或局部加大杆件截面等方法给予改善和加强。
ｅ．星形四角锥网架：将四角锥底面的四根杆（上弦）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（上弦）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。上弦一般受压，但在角部有可 能受拉。受力情况接近交叉梁系，刚度稍差于正交四角锥网架。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。
a.三角锥网架 三角锥网架上下弦平面 均为正三角形网络，上下 弦节点各连接9根杆件，节 点构造较复杂。当网架高度 为网格尺寸的 倍时，上 下弦杆和腹杆等长。三角锥 网架受力均匀，整体性和 抗扭刚度好，适用于平面为 多边形的大中跨度建筑。
b.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。 例如图5.1.15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。其上弦网格较 密，便于铺设屋面板，下弦网 格较疏，以节约钢材抽空三角 锥网架适用于平面为多边形的 中小跨度建筑。
对斜放四角锥网架，当平面 长宽比在1～2.5时，长跨跨中的 下弦内力大于短跨跨中的内力； 当平面长宽比大于2.5时则正好 相反；当平面长宽比在1~1.5时， 上弦杆的最大内力并不出现在跨 中，而是在网架1/4平面的中部。 周边支承的斜放四角锥网架， 在支承沿周边切向无约束时， 四角锥体可能绕Z轴旋转而造成 网架的几何可变，因此，必须 在网架周边布置刚性边梁。 点支承的斜放四角锥网架，可在 周边设置封闭的边桁架以保持网 架的几何不变。 斜放四角锥网架一般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。