建筑结构选型------- 网架结构

建筑结构选型第7章网架结构内容提要•概述•平板网架的结构体系及其形式•网架结构的支承方式•网架结构的受力特点及其选型•网架结构主要几何尺寸的确定•网架结构的构造•组合网架结构•网架结构的工程实例概述•空间网格结构的定义空间网格结构是一种高次超静定的三维杆系网状结构•空间网格结构的特点1.在节点荷载作用下杆件以轴压为主，材料强度得到充分发挥；2.各向受力，各杆相互支撑，整体性较好。•空间网格结构的分类1.网架：即平面为平板状的网架结构；2.网壳：即外形为曲面或壳形的网架结构。网架网壳本章主要讲述的是平板状的网架结构概述•平板网架结构的优点1.三向受力，轻重省材2.整体性好，适用性强非对称荷载可适应的荷载类型集中荷载动荷载局部超载施工时不同步提升地基不均匀沉降概述•平板网架结构的优点2.整体性好，适用性强地震荷载可适应的荷载类型吊车制动力3.无水平推或拉力，支承构造简单4.平面布置灵活，应用广泛可适用圆、扇、方、矩、多边形平面以及工业、公共、体育、场馆类建筑5.易于标准化生产和现场拆装6.占用空间小，可利用上下弦间布置管线概述•平板网架结构的优点7.造型轻巧美观，可用其中杆件拼图•平板网架结构应用实例1.大型体育建筑体育馆练习馆概述•平板网架结构应用实例1.大型体育建筑体育场看台雨蓬2.公共建筑展览馆影剧院2.公共建筑车站概述•平板网架结构应用实例2.公共建筑码头候机楼3.工业建筑仓库厂房飞机库平板网架的结构体系及其形式•平板网架结构的分类1.按层数分一般为双层，有时为三层2.按照杆件的布置规律及网格的格构原理分交叉桁架体系（交叉又可分为双、三向）角锥体系（角锥又可分为三、四、六角等）早期交叉体系因易于拼装而流行，后来角锥体系因受力性能良好、施工技术发展而受欢迎平板网架的结构体系及其形式•交叉桁架体系网架的形式1.两向正交正放网架总平面上弦布置下弦布置腹杆及上（圆）下（点）弦节点布置剖面2.两向正交斜放网架后图平面布置含义同此由于四角短桁架（刚度较大）的嵌固作用，长桁架在四角将产生上拔支座力平板网架的结构体系及其形式•交叉桁架体系网架的形式3.两向斜交斜放网架用于建筑平面中两相邻边的柱距不等的情况4.三向交叉网架A.上下弦杆在平面中组成正三角形；B.空间刚度大、杆件内力均匀，故适合在大跨度工程中采用，但杆件种类多，节点构造复杂，在中小跨度中不经济；C.特别适用于三角形、梯形、正六边形、多边形及圆形平面的建筑。平板网架的结构体系及其形式•交叉桁架体系网架的形式5.单向折线形网架A.单向受力；B.较适宜较小跨度特别是狭长的建筑平面;C.为加强结构的整体刚度，一般需沿建筑平面周边增设部分上弦杆件。•四角锥网架1.正放四角锥网架四角锥单元体（由4根弦杆和腹杆组成）上下弦杆长度相等，相互错开半个网格，锥体的棱角杆件为斜腹杆。平板网架的结构体系及其形式•四角锥网架2.正放抽空四角锥网架为了降低用钢量，简化构造，采光通风，当跨度较小时，可适当抽掉一些四角锥体，便成为正放抽空四角锥网架3.斜放四角锥网架缺点：A.屋面板种类较多(边、角、中三种)，屋面排水坡的形成也较困难，因而给屋面构造设计带来一定的不便；B.同时，当为点支承时，要在周边布置封闭的边桁架以保证网架的稳定性。优点：A.上弦压杆短，下弦拉杆长，受力比正放四角锥更为合理；B.每个节点交汇的杆件数量较少，因此用钢量较少；平板网架的结构体系及其形式•四角锥网架4.棋盘形四角锥网架A.构成：将斜放四角锥网架水平转动45°而成，四角锥体的连接方式不变。B.优点：克服了斜放四角锥网架屋面板种类多、屋面排水坡形成困难的缺点。5.星形四角锥网架星形四角锥单元星形四角锥单元可以看成是由两个倒置的三角形小格架正交形成，在交点处共用一根竖杆应用：一般适用于中小跨度且为周边支承的屋盖。受力特点：A.上弦杆短，下弦杆长，受力合理；B.竖杆受压，其内力等于上弦节点荷载；平板网架的结构体系及其形式•三角锥网架1.三角锥网架三角锥单元体三角锥体的底面呈正三角形，锥顶向下，顶点位于正三角形底面的重心线上。由底面正三角形的三个角向锥顶连接三根腹杆，即构成一个三角锥单元体组成特点：A.由倒置的三角锥排列而成，其上下弦杆形成的网格图案均为正三角形;B.如果网架的高度h=s·SQRT(2/3)(s为弦杆长度)，则网架的全部杆件均等长；C.锥体间为角-角相连。受力及刚度特点：三角锥网架受力比较均匀，整体刚度也较好。应用：一般适用于大中跨度及重屋盖的建筑物。平板网架的结构体系及其形式•三角锥网架2.抽空三角锥网架组成特点：上弦杆仍呈正三角形，下弦杆则随抽锥方式的不同而呈三角形、六边形等多种图案。经济效果：因杆件数与节点数都比三角锥网架少，所以用钢量也较少。刚度特点及应用：刚度较差，适用于屋盖荷载较轻、跨度较小的情况。3.蜂窝形三角锥网架构图特点：A.由各倒置的三角锥体底面的角与角相接而形成；B.上弦杆呈三角形和六边形，下弦杆呈六边形；C.每个节点均有六根杆件交汇，是常见的几种网架中节点汇集杆件最少的一种。受力、经济特点及应用：上弦短，下弦长，受力较合理；节点和杆件数均较少，因而其用钢量较少；适用于轻型的中小跨度的屋盖。平板网架的结构体系及其形式•六角锥网架六角锥单元组成特点：A.当锥尖向下时，上弦为正六边形网格，下弦为正三角形网格；B.当锥尖向上时，上弦为正三角形网格，下弦为正六边形网格；C.杆件多，节点构造复杂。应用：在实际工程中较少采用。网架结构的支承方式•两类支承1.刚性支承特点：无竖向位移，但可有水平位移。实例形式：如将网架直接支承在柱、墙或大刚度的梁上。梁支承柱支承墙支承网架结构的支承方式•两类支承2.弹性支承特点：有竖向位移。一般含义及实例：一般指三边支承网架中的自由边设反梁支承、桁架支承、拉索支承等拉索支承桁架支承（本章主要讲刚性支承）网架结构的支承方式•周边支承网架1.特点A.周边节点均设计为支座节点；B.受力均匀，刚度大；C.因可不设边桁架，故用钢量少2.应用最广泛3.类型A.每个周边节点均直接支承于柱上传力直接，受力均匀，适用于大跨度及中等跨度的网架B.周边节点支承于柱顶连梁上受力较均匀，平、立面布置灵活C.周边节点支承于承重墙顶部的圈梁上较经济，适用于中小跨度网架结构的支承方式•三边支承网架1.支承特点仅在三边设置支承，另一边自由2.自由边处理A.不设支撑系统（用于中小跨度）为增强刚度、改善受力，可适当提高网架截面高度、自由边杆件截面或在自由边悬挑部份网架B.设支撑系统（跨度较大时较合理）设支撑系统也称为加反梁，可为托梁、桁架或局部增加网架层数3.应用飞机库或制造修理车间、造船厂、影剧院或有可能扩建的建筑物，厂房变形缝处网架结构的支承方式•两边支承网架1.支承特点只有其相对两边上的节点设计成支座节点，其余两边为自由边2.应用极少若把平行于支座边的上、下弦杆去掉，则可形成单向网架或称折板形网架网架结构的支承方式•点支承网架四点支承多点支承1.支承特点A.支座点可布置在四个或多个支承柱上；B.承点多对称布置，并在周边设置悬臂段，以平衡一部分跨中弯矩，减少跨中挠度。2.应用主要用于体育馆、展览厅等大跨度公共建筑多点支承四点支承网架结构的支承方式•周边支承与点支承相结合1.支承特点在周边支承的基础上，在建筑内部增设中间支承节点2.优点减小跨度和内力，增加刚度，节约钢材3.应用大柱网工业厂房、仓库、展览厅等建筑。网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架1.受力特点正交正放交叉桁架体系网架结构可以看成是两个方向的平面桁架结构的组合，荷载沿桁架方向向周边支座传递网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架1.受力特点正交斜放交叉桁架体系网架结构荷载仍沿桁架方向向支座周边传递，但由于端部桁架较短，刚度较大，致使长桁架端部产生负弯矩和支座拔拉力。为减小支座拉力，可把角柱去掉，但其结果是屋面起坡脊线构造复杂。网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架2.结构选型A.用钢量比较正放四角锥最高斜放四角锥最少棋盘形四角锥高于斜放四角锥星形四角锥高于棋盘形四角锥双向桁架网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架2.结构选型A.用钢量比较三向桁架蜂窝形三角锥最少抽空三角锥第二少三向网架和三角锥网架比以上两种大注：图中为网格、荷载、支承均相同的比较结果。对大跨度建筑，此四种网架的单位面积用钢量接近。当跨度近百米时，由于刚度的要求，三向网架和三角锥网架的用钢量反而较前两种的要小网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架2.结构选型B.刚度比较正放四角锥最高斜放四角锥最少星形四角锥高于棋盘形四角锥周边支承的方形或矩形平面的两向正交正放、两向正交斜放、正放四角锥、正放抽空四角锥、斜放四角锥、棋盘形四角锥和星形四角锥等七种网架结构的刚度差别不大，但以图中三种刚度最好。双向桁架网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架2.结构选型B.刚度比较三向桁架三向网架（左）和三角锥网架（右）较大（用钢量大刚度大）蜂窝形和抽空三角锥网架较小（用钢量小刚度小）网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架2.结构选型C.结构选型斜放四角锥棋盘形四角锥星形四角锥正方形或接近正方形的周边支承网架应优先考虑右图三种网架结构方案网架结构的受力特点及其选型•周边支承网架2.结构选型C.结构选型圆形或多边形的周边支承网架，当荷载和跨度较大时，应选用刚度较好的右图两种方案三角锥网架三向网架网架结构的受力特点及其选型•四点及多点支承网架1.受力特点正交正放方案因传力路径较短而受力更佳正交正放正交斜放2.结构选型点支承宜选用正交正放方案•三边支承网架可参照周边支承选型网架结构主要几何尺寸的确定•网格尺寸1.限定范围网格尺寸，主要是指上弦杆网格的几何尺寸。2.影响因素跨度、柱距、屋面构造、杆件材料、结构型式3.与短跨的关系见下表4.一般原则在可能情况下，尽量大些5.具体实例（1）与屋面材料的关系A.钢筋混凝土板：≤3mB.轻型屋面材料:可为檩条间距的倍数（2）与桁架杆件类型的关系A.钢管：网格尺寸可大些；B.角钢或小规格钢材：网格尺寸应小些。6.设计操作先定网格数，后定网格尺寸网架结构主要几何尺寸的确定•截面高度1.截面高度对网架性能的影响截面高，刚度大，内力小，但腹杆长度和围护高度大2.影响因素主要为跨度，还有荷载大小、节点形式、平面形状、支承条件、起拱因素、建筑功能与造型等3.与短跨的关系见下表5.具体实例（1）网架截面应高些的情况A.屋面荷载较大或有悬挂式吊车时B.采用螺栓球节点时C.平面为长矩形时（2）网架截面可小些的情况A.平面接近方形时B.有柱帽的点支承时网架结构主要几何尺寸的确定•弦杆层数1.何时需采用多层（弦杆）网架A.屋盖跨度100m时B.网架的整体刚度和变形难以满足要求时C.工业厂房的悬挂吊车行走困难时2.多层（弦杆）网架优点A.刚度好，内力均匀B.杆件短，钢材强度得到充分发挥C.杆件细，球铰小，节约钢材3.多层（弦杆）网架缺点A.杆件和节点数量增多，增加了安装工作量B.交汇杆件增多，球铰变大，杆件交角变小4.克服多层（弦杆）网架缺点的办法局部单元抽空，加大中间弦杆间距5.多层（弦杆）网架工程实例见右图我国首都机场波音747机库网架结构主要几何尺寸的确定•腹杆体系1.倾角以45°为宜2.布置布成受拉腹杆受力较合理斜杆受拉斜杆受压3.减小杆件计算长度或跨中弯矩的措施采用再分式腹杆，但要保证其平面外稳定平面桁架再分式腹杆四角锥网架再分式腹杆网架结构主要几何尺寸的确定•悬臂长度1.悬臂设计范围点支承网架宜设计悬臂段2.悬臂段长度一般为跨度的1/3（单跨）~1/4（多跨）单跨悬臂段长度多跨悬臂段长度网架结构的构造•杆件截面1.型钢的定义型钢是指有一定截面形式和尺寸的条形钢材。2.型钢的分类型钢普通型钢优质型钢大型中型小型工字钢槽钢角钢扁钢圆钢方钢六角钢工字钢槽钢角钢扁钢圆钢角钢扁钢圆钢方钢碳素结构钢合金结构钢冷弯型钢是制作轻型钢结构的主要材料，采用钢板或钢带冷弯成型制成。它的壁厚可以制得很薄均可热轧还可煅制、冷拉按是否开口分按截面形状分开口闭口半闭口槽钢角钢Z型钢方管矩