网架结构设计方案.pdf

空空间间网网架架结结构构设设计计 高高福福聚聚 石石油油大大学学建建筑筑工工程程系系 二二四四年年六六月月 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 第四章第四章 网架结构设计网架结构设计 4.1 网架结构的形式及种类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网架结构的基本单元及几何不变性 1基本单元基本单元 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 41） 。 图 4-1 网架结构的基本单元 1 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 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： 3mrJ+ 0 或 3mJr （41） 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3 3Jr 3JrmJr时，为几何可变体系。 3网架几何不变的充分条件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： 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 K0， 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 l50m，酌情考虑；当跨度 l80m 时，应 2 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 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 42） 。 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 43） 。 宜在周边设置悬挑，以减小网架跨 图 42 周边支承网架 图 43 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，当周边没有因 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 44） 。 图 44 周边与点相结合支承 图 45 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 45） 。自由边的存在对网架的受力是不利的， 3 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 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按照跨度分类按照跨度分类 分类时，我们把跨度 L30m 的网架称之为小跨度 网架 4按网格形式分类按网格形式分类 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 46） 。 图 46 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 L90m 或 120m 时称为特大跨度； 当 L150m 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 4060之间。该体系 的网架有以下四种： 两向正交正放 4 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 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， 制作、安装较为简便（图 48） 。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。 平面 上弦 下弦腹杆 剖面 上弦节点 下弦节点 图 47 网架结构图示图例 图 48 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 组平面桁架互成 90交叉而成，弦杆与边界成 45角 体育 馆（ 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 。边界可靠时，为几何不变体系（图 49） 。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 99112.2m）和山东体育馆（62.774.1m）采用了这种网架结构型式。 图 49 两向正交斜放网架 图 410 两向斜交斜放网架 两向斜交斜放网架 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 410） 。 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。 5 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 三向网架 三向网架由三组互成 60交角 的平 度 （L 规则的情况 88.681m 八边形） 较早 2）四角锥体系 的上、下弦均呈正方形（或接近正方形的矩形）网格， 四角锥网架 置的四角锥体组成，锥底的四边为网架的上弦 杆， 刚度比其它类的四角锥网架及两向网架 好。 适用于建筑平面接近正方形的周边支承情况，也适用 于屋 剧院 （31 面桁架相交而成（图 411） 。 这类网架受力均匀，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 60m） ，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 上海体育馆（D=110m 圆形）和江苏体育馆（76.8 图 411 三向网架 。 地采用了这种网架结构型式。 四角锥体系网架 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 正放四角锥网架由倒 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 412） 。 这类网架杆件受力均匀，空间 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 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 .536m） 。 6 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 图 412 正放四角锥网架 图 413 正放抽空四角锥网架 正放抽空四角锥网架 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 413） 。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。 货棚（132132m，柱网 2424m，多点支承） 和唐 图 414） 。上弦杆长度约为下弦杆长度的 0.707 倍。在 周边（上 弦节 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 须在网架周边布置刚性边梁。当 为点 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 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 同一垂直平面内（ 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 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 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 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 414 斜放四角锥网架 图 415 星形四角锥网架 星形四角锥网架 7 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 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 415） 。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， 它的上弦为正交斜放，下弦为正交正放，斜腹杆与上弦杆在同一竖直平面 内。上弦杆比下弦杆短，受力合理。但在角部的上弦杆可能受拉。该处支 座可能出现拉力。网架的受力情况接近交叉梁系，刚度稍差于正放四角锥 星形四角锥网架适用于中、小跨度周边支承的网架。 2836m） 和中国计量学院风雨操场 （2736m） 采用 度周边支承的网架。 式。 网架。 杭州起重机械厂食堂 （ 了这种网架结构型式。 棋盘形四角锥网架 棋盘形四角锥网架是在斜放四角锥网架的基础上，将整个网架水平旋 转 45角，并加设平行于边界的周边下弦（图 416） ；也具有短压杆、长 拉杆的特点，受力合理；由于周边满锥，它的空间作用得到保证，受力均 匀。棋盘形四角锥网架的杆件较少，屋面板规格单一，用钢指标良好。适 用于小跨 大同云岗矿井食堂（2818m）采用了这种网架结构型 图 416 棋盘形四角锥网架 图 417 三角锥网架 3）三角锥体系 这类网架的基本单元是一倒置的三角锥体。锥底的正三角形的三边为 网架的上弦杆，其棱为网架的腹杆。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。 三角锥网架 三角锥网架上下弦平面均为三角形网格，下弦三角形网格的顶点对着 上弦三角形网格的形心（图 417） 。三角锥网架受力均匀，整体抗扭、抗 弯刚度建筑 面为三角形、六边形和圆形的情况。 俱乐部剧场（六边形，外接圆直径 24m）采用了这种 好；节点构造复杂，上下弦节点交汇杆件数均为 9 根。适用于 平 上海徐汇区工人 网架结构型式。 8 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 抽空三角锥网架 抽空三角锥网架是在三角锥网架的基础上，抽去部分三角锥单元的腹 杆和当下弦由三角形和六边形网格组成时，称为抽空三角 锥网 格较疏，以节省钢材。 （D=47.18m，周边支承）较早采用了这种网架结 构型 下弦而形成的。 架型（图 418a） ；当下弦全为六边形网格时，称为抽空三角锥网 架型（图 418b） 。 这种网架减少了杆件数量， 用钢量省， 但空间刚度也较三角锥网架小。 上弦网格较密，便于铺设屋面板，下弦网 抽空三角锥网架适用于荷载较小、跨度较小的三角形、六边形和圆形 平面的建筑。 天津塘沽车站候车室 式。 图 418 a）抽空三角锥网架型 b）抽空三角锥网架型 蜂窝形三角锥网架 蜂窝形三角锥网架由一系列的三角锥组成。上弦平面为正三角形和正 六边形网格，下弦平面为正六边形网格，腹杆与下弦杆在同一垂直平面内 （图 419） 。上弦杆短、下弦杆长，受力合理，每个节点只汇交 6 根杆件。 是常用网架中杆件数和节点数最少的一种。但是，上弦平面的六边形网格 增加了屋面板布置与屋面找坡的困难。 蜂窝形三角锥网架适用于中、 小跨度周边支承的情况， 可用于六边形、 圆形或矩 天津石化住宅区影剧院（44.4 8.45m）和开滦林西矿会议室（14.4 20网架结构型式。 ，就得到沿短向支承的折线形网 架。 形平面。 3 .79m）较早采用了这种 4）折线形网架 折板网架俗称折板网架，由正放四角锥网架演变而来的，也可以看作 是折板结构的格构化。当建筑平面长宽比大于 2 时，正放四角锥网架单向 传力的特点就很明显，此时，网架长跨方向弦杆的内力很小，从强度角度 考虑可将长向弦杆（除周边网格外）取消 9 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 折线形网架适用于狭长矩形平面的建筑。 图 419 蜂窝形三角锥网架 图 420 折板网架 折线形网架内力分析比较简单，无论多长的网架沿长度方向仅需计算 57 个节间。 山西大同矿务局机电修配厂下料车间（2178m）和石家庄体委水上 游乐中心（30120m）采用了这种网架结构型式。 5）其它型式的网架 上述 13 种网架的基本型式均已列入网架结构设计与施工规程 JGJ7-91 六角锥网架和六边棱柱体网架 ，也可以倒置。网架的上下弦网格呈三角形或六边形。由 于节 腹杆布置不同也可以 构成多种形式。 周等分布 置，架是在辐射桁架间呈环向布置的竖 向平 面。 角售票厅（D=15m）采用了这种网架结构型式。 。此外，还有其它一些其它形式的网架，现分述如下。 六角锥网架是由六角锥单元和连接锥顶的杆件组成（图 421） 。六角 锥单元可以正放 点汇交杆件较多，构造复杂，应用较少。六边棱柱体网架是指其网格 以六边形为基本形式而构成的网架（图 422） ，随着 蛛网式网架 蛛网式网架由辐射桁架、环向桁架以及支撑系统所组成（图 423） 。 辐射桁架是经圆心呈放射状布置的竖向平面桁架，一般沿圆 它是网架的主要受力构件；环向桁 面桁架，其受力由圆心向外逐渐减小，因此布置较密；支撑系统是为 减小环向桁架弦杆计算长度而设于上下弦平面内的斜撑杆件。 这种网架空间刚度大，稳定性及抗震性能良好，起拱方便，易于找坡 排水。但是由于杆件较多，且长度变化大，节点构造与施工制作较复杂。 主要适用于圆形平 天津市地铁西南 板架体系 在四角锥或三角锥网架的角锥单元中，如果以钢筋混凝土带肋板来替 10 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 代原有的上弦杆和覆盖的屋面板，并使之与钢腹杆相连，就形成了如图 4 图 421 六角锥网架 图 422 六边棱柱体网架 11 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 图 423 蛛网式网架 24 所示的四角锥板架单元或三角锥 板架单元。将这些单元组装，并在 各锥顶间连以下弦杆，就构成了这种 由板架（杆）组合而成的结构体系。 这种体系既保持了网架结构的许多优 点，又改善了上弦的受力状况，并使 屋面的围护结构与承重结构结合，因 而受力性能好，承载能力高，有较好 的经济效果。 由于在板架体系中采用了钢筋混凝土与钢两种材料， 因此在计算理论、 节点构造、单元体的制作与体系的组装等方面都提出了许多新的问题。我 国正结合工程实践对此进行研究，以期使这种合理的结构体系更为完善。 板架体系适用于建筑平面为正方形或矩形的周边支承网架，也可应用 m） 、上海石油供应站金属材料 教室（12.115.24m）和南开大学 构型式。 于楼盖结构。 徐州浃河煤矿餐厅（5421m，189 中转仓库（3672m） 、贵州工学院阶梯 体育馆（1824m）采用了这种网架结 图 425 表皮受力体系 表皮受力体系 表皮受力体系也称应力蒙皮结构，或锥形屋顶结构（图 425） 。它与 角锥网架结构的主要差别在于锥体单元的构成。表皮受力体系的锥体单元 是由薄铝板、胶合板或塑料板等材料沿棱封闭而成，而一般角锥网架中的 锥体单元则是由沿锥底、锥棱设置的杆件所形成。如将这些由薄板组成的 图 424 板架体系 12 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 13 锥体适当组合，并在锥顶之间连以弦杆即构成这种表皮受力体系。 锥体可为三角锥、四角锥、六角银或圆锥。它们可以正放，也可倒置。 当锥体正放时，锥顶向上，锥体表面兼有受力与覆盖功能，锥底可以开放 不作封闭。当锥体倒置时，锥顶向下，锥底上设置屋面板可以增加结构的 刚度。 这种体系适用于餐厅、会议室、车站、门厅等小跨度的屋盖。国外对 这种体系进行过试验研究，并有些工程实践。 通过以上介绍，说明了网架结构具有极为丰富的内容和形式。近年来 国内、外在网架结构的形式上又有所发展，特别是在空间网格结构中利用 了形式代数（Formex A1gebra） ，使这类有规律组合的形状复杂的结构图象 表现和数据处理大为简化，为发展新的结构形式创造有利条件。同时，网 架结构的应用范围也日益扩中跨度建筑的屋盖结构， 且为满足大跨度楼面的需要，在多层房屋的楼盖以及格网架与屋盖、楼 盖和墙面结合使用的工程实例也不断出现。 六边 形平 合也是一种有特色的结构形式，即索网架、索网壳。 网架结构的形式很多， 如何结合工程的具体条件选择适当的网架型式， 对网架结构的技术经济指标、 制作安装质量以及施工进度等均有直接影响。 影响网架选型的因素也是多方面的，如工程的平面形状和尺寸、网架的支 承方式、荷载大小、屋面构造和材料、建筑构造与要求、制作安装方法以 大， 不仅用以作为大、 而 为开拓新的结构形式，除了发展网架结构本身的形式以外，将网架与 拱、悬索等结构结合，可以组成许多在几何形状和建筑造型上新颖合理的 结构形式，也为进一步开拓网架结构的应用范围创造了条件。1987 年兴建 的江西省体育馆即采用了拱和网架的组合结构，它在比赛厅的中部设置了 跨度为 88m、矢高 51m 的钢筋混凝土无铰拱（图 426） 。从而将长 面分割为两个梯形平面，在梯形平面上设置了三角锥网架。网架除支 承于周边支柱外， 在拱身平面内亦没有支承桁架， 从而减少了网架的跨度。 它将拱与网架组合，使建筑与结构有机结合，造型新颖，颇有特点。将索 与网架结 三、网架结构的选型 图 426 江西省体育馆 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 及材料供应等。因此，网架结构的选型必须根据经济合理、安全实用的原 则，结合实际情况进行综合分析比较而确定。 在给定支承方式的情况下，对于一定平面形状和尺寸的网架，从用钢 量指标或结构造价最优的条件出发， 表 41 列出了各类网架的较为合适的 应用范围，可供选型时参考。 表 41 网架结构选型 支承方式 平面形状 选 用 网 架 中小跨度 网架 斜放四角锥网架 星形四角锥网架 正放抽空四角锥网架 两向正交正放网架 两向正交斜放网架 蜂窝形三角锥网架 棋盘形四角锥 长宽比1.0 大 跨 度 两向正交正放网架 两向正交斜放网架 正放四角锥网架 斜放四角锥网架 长宽比11.5 两向正交斜放网架 正放抽空四角锥网架 矩 形 长宽比1.5 两向正交正放网架 正放四角锥网架 正放抽空四角锥网架 折板形网架 中小跨度 抽空三角锥网架 蜂窝形三角锥网架 周 （六边形，八边形） 大 跨 度 三向网架 三角锥网架 边 支 承 圆 形 多边形 四点支承 多点支承 两 正放四角锥网架 正放抽空四角锥网架 向正交正放网架 周 边 支 承 与 点 支 承 相结合 矩 形 斜放四角锥网架 正交正放类网架 两向正交斜放类网架 注： 对于三边支承一边开口矩形平面的网架，其选型可以参照周边支承网架进行； 当跨度和荷载较小时， 对角锥体系可采用抽空类型的网架， 以进一步节约钢材。 14 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 对于周边支承的网架，当平面形状为正方形或接斜放 四角锥、星形四角锥、棋盘形四角锥三种网架结构上短， 杆件受力合理，节点汇交杆件较少，且在的总 数也比较少，用钢量指标较低；因此，在中小跨度时。正 放抽空四角锥网架，蜂窝架也具有类似的、小 跨度，荷载较轻时亦可选用。当跨度较大时，容许挠度将起主要控制作用， 宜选度较大叉桁架体系或满锥形式的网架。 在网架选型时，从屋面构造情况来看，正放类型格整 齐单一；而斜放类型的网架屋面板规格却有两、种上弦 网格较小，屋面板的规格也小；而正放四角锥的上弦屋面 板的规格也大。 从网架制作来说，交叉平面桁斜交方 便，两向比三向简单。而对安装来说，特别是装方法施 工时，选用正放类网架比斜放类的网架有利。在分条或分 块后，可能因刚度不足或要增设临 从节点构造要求来说，焊接空心球节点可类网架；而焊接 钢板节点则以选用两向正交类的网架为宜；至于螺栓网架 相邻杆件的内力不要相差太大。 总之，在网架选型时，须综合考虑上述情况，定网架的形 式。 近正方形，由于 弦杆较下弦杆为 同样跨度条件下节点和杆件 应优先考虑选用 形三角锥网优点，因此在中 用刚的交 的网架屋面板规 三。斜放四角锥的 网格相对较大， 架体系较角锥体系简便，正交比 采用分条或分块吊 因为斜放类网架 几何可变而时杆件予以加强。 以适用于各 球节点，则要求 必合理地确 15 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 4.2 网架结构的构造设计网架结构的构造设计 网架结构的主要尺寸有网格尺寸（指上弦网格尺寸）和网架高度。确 定这些尺寸时应考虑跨度大小、柱网尺寸、屋面材料以及构造要求和建筑 功能等因素。 4.2.1 网格尺寸 网格尺寸的大小直接影响网架的经济性。确定网格尺寸时，与以下条 件有关： 1屋面材料屋面材料 当屋面采用无檩体系（钢筋混凝土屋面板、钢丝网水泥板）时，网格 尺寸一般为 24m。若网格尺寸过大，屋面板重量大，不但增加了网架所 受的荷载，还会使屋面板的吊装发生困难。当采用钢檩条屋面体系时，檩 条长度不宜超过 6m。网格尺寸应与上述屋面材料相适应。当网格尺寸大 于 6m 时，斜腹杆应再分，此时应注意保证杆件的稳定性。 2网格尺寸与网架高度成合适的比例关系网格尺寸与网架高度成合适的比例关系 通常应使斜腹杆与弦杆的夹角为 4560， 这样节点构造不致发生困 难。 3钢材规格钢材规格 采用合理的钢管做网架时，网格尺寸可以大些；采用角钢杆件或只有 较小规格钢材时，网格尺寸应小些。 4通风管道的尺寸通风管道的尺寸 网格尺寸应考虑通风管道等设备的设置。 对于周边支承的各类网架，可按表 42 确定网架沿短跨方向的网格 数，进而确定网格尺寸。表中，L2为网架短向跨度，单位为m。当跨度在 18m以下时，网格数可适当减少。 4.2.2 网架高度 网架高度越大，弦杆所受力就越小，弦杆用钢量减少；但此时腹杆长 度加大，腹杆用钢量就增加。反之，网架高度越小，腹杆用钢量减少；弦 杆用钢量增加。 因此网架需要选择一个合理的高度， 使得用钢量达到最少； 同时还应当考虑刚度要求等。合理的网架高度可根据表 42 中的跨高比 来确定。 确定网架高度时主要应考虑以下几个因素： 16 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 表 42 网架的上弦网格数和跨高比 钢筋混凝土屋面体系 钢檩条屋面体系 网架形式 网格数 跨高比网格数 跨高比 两向正交正放网架 正放四角锥网架 正放抽空四角锥网架 (24)+0.2L2 两向正交斜放网架 棋盘形四角锥网架 斜放四角锥网架 星形四角锥网架 (68) +0.08L2 1014(68)+0.07L2 (1317) 0.03L2 1建筑要求及刚度要求建筑要求及刚度要求 当屋面荷载较大时，网架高度应选择的较高，反之可矮些。当网架中 必须穿行通风管道时，网架高度必须满足此高度。但当跨度较大时，网架 高度主要由相对挠度的要求来决定。一般说来，跨度较大时，网架的跨高 比可选用得大些。 2网架的平面形状网架的平面形状 当平面形状为圆形、正方形或接近正方形的矩形时，网架高度可取得 小些。当矩形平面网架狭长时，单向作用就明显，其刚度就越小些，故此 时网架高度应取得大些。 3网架的支承条件网架的支承条件 周边支承时，网架高度可取得小些；点支承时，网架高度应取得大些。 4节点构造形式节点构造形式 网架的节点构造形式很多，国内常用的有焊接空心球节点和螺栓球节 点。二者相比，前者的安装变形小于后者。故采用焊接空心球节点时，网 架高度可取得小些；采用螺栓球节点时，网架高度应取得大些。 此外，当网架有起拱时，网架的高度可取得小些。 4.2.3 屋面材料及屋面构造 要使网架结构经济省钢的优点得以实现，选择适当的屋面材料是一个 关键。在网架结构设计中，应尽量采用轻质、高强，具有良好保温、隔热、 防水性能的轻型屋面材料。 根据所选屋面材料性能的不同，网架结构的屋面分为有檩体系屋面和 无檩体系屋面。 1有檩体系屋面有檩体系屋面 当采用木板、加筋石棉水泥波形瓦、纤维水泥板等轻型屋面材料时， 由于此类屋面材料的最大支点距离较小，故多采用有檩体系屋面构造（图 17 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 427） 。通常的做法是在屋架支托设钢檩条（如槽钢、角钢、Z形钢、冷 弯槽钢、桁架式檩条等） ，上面铺设木板作为屋面结构层，上面再做柔性防 水层和铝合金板保护层。当需要保温时，可在木板下面做隔热层。这种做 法的屋面自重较轻，一般在 1.01.3kN/m2范围内，但防火性能较差。 压型金属屋面板是近年发展出来的新型屋面材料。 它是用厚度为 0.6 1.6mm 的镀锌钢板、冷轧钢板、彩色钢板、或铝板等原材料，经辊压冷弯 成各种波形的压型板。 压型钢板的钢材一般采用Q215 钢或Q235 钢，压型铝板一般采用铝锰 合金LF21。压型钢板有单层的，也有双层中间夹隔热材料的夹芯板。这种 屋面材料具有轻质高强、美观耐用、施工简便、抗震放火的特点，它的加 工和安装已经达到标准化、工厂化、装配化。但价格较贵。压型钢板可直 接铺设在钢檩条上。这种屋面的重量为 1.01.8kN/m2。 2无檩体系屋面无檩体系屋面 当采用带肋钢丝网水泥板、预应 力混凝土屋面板等作屋面材料时，由 于它们所要求的最大支点距离均较 大，故多采用无檩体系屋面（图 4 28） 。 通常屋面板的尺寸与网架上弦网 格尺寸相同，屋面板直接搁在屋架上 弦网格节点的支托上。应保证每块屋 面板有三点与网架上弦节点的支托焊 牢。再在屋面板上做找平层、保温层 及二毡三油防水层。 无檩体系屋面的优点是施工、安 装速度快，零配件少。但屋面重量大，一般自重大于 1.5kN/m2。屋盖自重 图 427 有檩体系屋面构造 图 428 无檩体系屋面 18 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 大会导致网架用钢量的增大，还会引起柱、基础等下部结构造价增加，对 屋盖结构的抗震性能也有较大影响。 4.2.4 网架的起拱和屋面排水 1网架的起拱网架的起拱 网架的起拱有两个作用，一是为了消除网架在使用阶段的挠度影响，称为 施工起拱。一般情况下，网架的刚度大，中小跨度网架不需要起拱。对于 大跨度（L260m）网架或建筑上有起拱要求的网架，起拱高度可取L2/300， L2为网架的短向跨度。 网架起拱的方法，按线型分为折线型起拱和弧线型起拱两种。按方向 分有单向和双向起拱两种。狭长平面的网架可单向起拱，接近正方形平面 的网架应双向起拱。 网架起拱后，会使杆件的种类、节点的种类大为增加，从而会引起网 架设计、制造和安装时的麻烦。 图 429 2屋面排水坡度屋面排水坡度 为了屋面排水，网架结构的屋面 坡度一般取 1%4%，多雨地区宜选 用大值。 当屋面结构采用有檩体系时， 还应考虑檩条挠度对泄水的影响。对 于荷载、跨度较大的网架结构，还应 考虑网架竖向挠度对排水的影响。 屋面坡度的做法有如下几种： 上弦节点加小立柱找坡 当小立柱较高时， 应注意小立柱自身的稳 定性，这种做法构造比较简单。 网架变高度 当网架跨度较大时，会造成受压腹杆太长的缺点。 支承柱找坡 采用点支承方案的网架可用此法找坡。 整个网架起拱 一般用于大跨度网架。网架起拱后，杆件、节点的 规格明显增多，使网架的设计、制造、安装复杂化。当起拱高度小于网架 短向跨度的 1/150 时，由起拱引起的杆件内力变化一般不超过 5%10%。 因此，仍按不起拱的网架计算内力。 4.2.5 网架结构的容许挠度 网架结构的容许挠度不应超过下列数值： 用作屋盖L2/250；用作楼盖L2/300；L2为网架的短向跨度。 19 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 4.3 荷载及效应组合荷载及效应组合 4.3.1 网架结构的荷载和作用 网架结构的荷载和作用主要有永久荷载、可变荷载、温度作用和地震 作用。 1永久荷载永久荷载 作用在网架结构上的永久荷载包括网架结构、楼面或屋面结构、保温 层、防水层、吊顶、设备管道等材料自重。 网架结构杆件一般采用钢材，它的自重可通过计算机计算。一般钢材 容重取=78.5kN/m3，可预先估算网架单位面积自重。双层网架自重可按 下式估算： 02/200kw gq L= （42） 式中，g0k网架自重（kN/m2） ；L2网架的短向跨度（m） ； qw除网架自重外的屋面荷载或楼面荷载的标准值（kN/m2） ； 系数。对杆件采用钢管的网架取=1.0；采用型钢的网架取 =1.2。 其他材料和构件自重按建筑结构荷载规范GB50009-2001 取用。 2可变荷载可变荷载 作用在网架结构上的可变荷载包括屋面或楼面活荷载、雪荷载、积灰 荷载、 风荷载以及悬挂吊车荷载， 其中雪荷载与屋面活荷载不必同时考虑、 取两者的较大值。 对于周边支承，且支座节点在上弦的网架的风载由四周墙面承受，计 算时可不考虑风荷载；其他支承情况，应根据实际工程情况考虑水平风荷 载作用。由于网架刚度较好，自振周期较小，计算风荷载时，可不考虑风 振系数的影响。 工业厂房中采用网架时，应根据厂房性质考虑积灰荷载。积灰荷载大 小可由工艺提出，也可参考建筑结构荷载规范GB50009-2001 的有关规 定采用。 工业厂房中如设有吊车应考虑吊车荷载。吊车形式有两种，一种是悬 挂吊车，另一种是桥式吊车。悬挂吊车直接挂在网架下弦节点上，对网架 产生吊车竖向荷载。桥式吊车是在吊车梁上行走，通过柱子对网架产生吊 车水平荷载。吊车竖向和水平荷载标准值按建筑结构荷载规范GBJ9-87 有关规定采用。 3温度作用温度作用 20 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 温度作用是指由于温度变化，使网架杆件产生附加温度应力，必须在 计算和构造措施中加以考虑。 4地震作用地震作用 我国是地震多发地区，地震作用不能忽视。根据我国网架结构设计 与施工规程GBJ7-91 规定，周边支承的网架，当建造在设计烈度 8或 8 以上地区时，应考虑竖向地震作用；当建造在设计烈度 9地区时，还应 考虑水平地震作用。网架结构的地震作用在今后的章节中介绍。 4.3.2 网架结构的荷载组合组合 作用在网架上的荷载种类很多，应根据使用过程和施工过程中可能出 现的最不利荷载进行组合。 1 对于非抗震设计对于非抗震设计 荷载效应组合应按建筑结构荷载规范进行计算，其一般表达式。 )( 2 10 = += n i QicQG qqqq （43） 式中，q作用在网架上的组合荷载设计值（kN/m2） ； qG永久荷载的设计值，qG=Gqk； qk永久荷载的标准值； G永久荷载分项系数， 计算内力取G=1.2， 计算挠度取G=1.0； qQ1、qQi第一个和第i个可变荷载的设计值，qQ1=Qqk， kiQQi qq=； Q 可变荷载分项系数，计算内力时取4 . 1= Q ，计算挠度时 取0 . 1= Q ； 0 结构重要性系数，分别取 1.1，1.0，0.9； c 可变荷载的组合系数，当有风荷载参与组合时取 0.6；没有 风荷载时取 1.0。 2 对抗震设计对抗震设计 荷载效应组合应按建筑抗震设计规范进行计算，其一般表达式为 )( 0vkEvEvhkEhEhEGG ECECGCS+= （44） 式中，S结构构件内力组合设计值； Eh 、 Ev 分别为水平、竖向荷载作用分项系数，查表 43； E G重力荷载代表值，取结构和构配件自重标准值与各可 变荷载组合值之和，各可变荷载组合系数按表 44 21 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 取用； 、分别为水平、竖向地震作用标准值； hk E vk E G C、分别为重力系数、水平地震作用、竖向地震作用的效 应系数。 Eh C Ev C 表 43 地震作用分项系数 地震作用 仅考虑水平作用 仅考虑竖向作用 同时考虑水平与竖向作用 Eh 1.3 不考虑 1.3 Ev 不考虑 1.3 0.5 表 44 可变荷载组合系数值 按等效均布荷 载考虑的 楼面活荷载 吊车 悬吊物 重力 可 变 荷 载 种 类 雪 荷 载 屋 面 积 灰 荷 载 屋 面 活 荷 载 按实 际情 况考 虑的 楼面 活荷 载 藏档 书案 库库 其他 民用 建筑 硬 钩 吊 车 软 钩 吊 车 组合系数值0.50.5不考虑 1.0 0.8 0.5 0.3不考虑 注：当网架有多台吊车作用，在吊车竖向荷载组合时，对一层吊车的单跨厂房的网架， 参与组合的吊车数不应多于两台，对一层吊车的多跨厂房的网架，不应多于四台；在 吊车水平荷载组合时，参与组合的吊车台数不应多于两台。 3. 当无吊车荷载和风荷载、地震作用时当无吊车荷载和风荷载、地震作用时，网架应考虑以下几种荷载 组合： 1） 永久荷载+可变荷载； 2） 永久荷载+半跨可变荷载； 3） 网架自重+半跨屋面荷载+施工荷载。 后两种荷载组合主要考虑斜腹杆内力的变化。当采用轻屋面（如压型 钢板）或屋面板对称铺设时，可不考虑。 22 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 4.4 网架结构的静力计算方法网架结构的静力计算方法 4.4.1 网架结构的计算模型和计算方法 1. 网架结构的计算模型网架结构的计算模型 图 430 网架结构的计算模型 网架结构是由很多杆件按一定规律组成的，属高次超次超静定结构， 其计算模型大致可分为四种（如图 430） ： 1） 铰接杆系计算模型 把网架看成为铰接杆件的集合， 以每根铰接杆 件作为网架计算的基本单元。 2） 桁架系计算模型 把网架看成为桁架系的集合， 以每段桁架作为网 架计算的基本单元。桁架系又有平面桁架系和空间桁架系之分。 3） 梁系计算模型 把网架简化为交叉梁， 以梁段作为网架计算的基本 单元。最后把梁的内力再折算为杆件内力。 4）平板计算模型 把网架折算等代为平板，按板的理论进行分析，最 后把板的内力再折算为杆件内力。平板有普通平板和夹层板。 上述四种计算模型中， 前两种计算模型比较符合网架本身离散的构造特点， 有可能求得网架结构的精确解答。 2. 网架结构的计算方法 网架结构的计算方法 有了计算模型，还需要合适的分析方法，去反映和描述网架的内力和 变位状态，并求得这些内力和变位。网架结构的分析方法大致有：有限单 元法、差分法、力法、微分方程解析解法和微分方程近似解法。计算模型 与分析方法相结合就形成了网架结构现有各种具体计算方法。 1）精确的计算方法有： 空间桁架位移法和下弦内力法； 2）近似的计算方法有： 交叉梁系梁元法，交叉梁系力法，交叉梁系 差分法、又份考虑与不考虑剪切变形两种，混合法，假想弯矩法、拟板法、 和拟夹层板法，等等。 23 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 4.4.2 空间桁架位移法 空间桁架位移法也称矩阵位移法，是一种空间杆系有限单元分析法， 适用于分析不同类型、任意平面形状、具有不同边界条件和支承方式、承 受任意荷载的网架，还可以考虑网架与下部支承结构的共同工作。不仅可 用于网架结构的静力分析，还可用于网架结构的地震作用分析、温度应力 计算和安装阶段的验算。是目前网架分析中运用最广、最精确的方法。本 书将重点介绍这种方法。 空间桁架位移法以网架结构的杆件作为基本单元，以节点位移作为基 本未知量。先对杆件单元进行分析，根据虎克定律建立单元杆件内力与位 移之间的关系，形成单元刚度矩阵；然后再对结构进行整体分折，根据各 节点的变形协调条件和静力平衡条件，建立结构上的节点荷载和节点位移 之间的关系，形成结构的总刚度矩阵和总刚度方程。结构总刚度方程是一 组以节点位移为未知量的线性代数方程组，引进给定的边界条件，并利用 电子计算机求解各节点的位移值。在求得各节点的位移值后，就可由单元 杆件的内力和位移之间的关系求出杆件内力。空间桁架位移法的基本思路 如图 431 所示。 1. 基本假定 基本假定 在用空间桁架位移法计算网架结构的内力和变形时，作如下四条基本 假定以简化计算： 1）网架节点为铰接，每个节点有三个自由度 u、v、w，忽略节点刚度 的影响； 2）荷载作用在网架节点上，杆件只承受轴向力； 3）材料在弹性工作阶段，符合虎克定律； 4）网架变形很小，由此产生的影响可以忽略。 实践证明，根据以上假定的计算结果与实验值极为接近。 图 431 空间桁架位移法的基本思路 24 网架结构设计找江苏八方一级施工资质 质优价廉 网架加工制作安装一条龙服务 2. 单元刚度矩阵单元刚度矩阵 从网架中任取一根杆件ij，如图 431 设在外力作用下，杆的两端分 别有轴向力Fij和Fji，轴向位移i和j，其正方向与节点i至节点j方向一致， 由材料力学可知 = = )( )( ij ij ij ji ji ij ij ij l EA F l EA F （45a） 式中，lij杆件的长度，E材料的弹性模量，Aij杆件的截面积。 写成矩阵形式为 = j i ij i