空间网架结构201X.ppt

10空间网架结构 本章提要 1 空间网架结构的特点 类型 组成2 网架结构的杆件 节点3 网架结构的支承方式 支座节点4 网架结构的屋面做法 10 1网架结构的特点 适用范围 1 定义由多根杆件根据建筑体型的要求 按照一定规律进行布置 通过节点连接起来的三维空间杆系结构 网架结构根据外形可分为平板网架和曲面网架 10 1网架结构的特点 适用范围 平板网架称为网架曲面网架称为网壳 10 1网架结构的特点 适用范围 2 特点多向受力的空间结构 跨度大刚度大 稳定性好杆件主要承受轴向力 能充分发挥材料的强度高次超静定 安全度高 10 1网架结构的特点 适用范围 2 特点应用范围广 对建筑的适应性强 对于各种跨度的公共建筑 工业建筑 体育建筑 平面无论是方形 矩形 多边形 圆形 扇形等都能进行合理的结构布置 它既适用于周边支承 也适用于三边支承一边开口 或两边支承两边开口 或四点及不规则多点支承的情况 10 1网架结构的特点 适用范围 2 特点结构高度小 不仅可以有效地利用建筑空间 而且能够利用较小的杆件建造大跨度结构杆件类型划一 适用于工业化生产 地面拼装的整体吊装平板网架无水平推力或拉力 一般简支在支座上 使边梁大为简化 也便于下部承重结构的布置 构造简单 节省材料 10 1网架结构的特点 适用范围 2 特点平板网架无水平推力或拉力 一般简支在支座上 使边梁大为简化 也便于下部承重结构的布置 构造简单 节省材料 占用空间小 并可利用上 下弦之间的空间布置各种设备及管道 从而降低层高 降低造价 获得良好的经济效果 10 1网架结构的特点 适用范围 2 特点采光方便 可设置点式采光 块式采光或井式采光 采光的方式可设置升起的平天窗或侧天窗 采光材料一般用玻璃钢制品或玻璃制品 网架结构的屋盖通风方便 既可采用侧窗通风 也可在屋面上开洞设轴流风机 3 网架结构的应用范围 1 体育建筑 2 公共建筑 3 单层工业厂房 4 飞机库 5 加油站 6 收费站 10 1网架结构的特点 适用范围 10 2网架的结构形式及选型 10 2 1网架的结构形式 按照杆件的布置规律及网格的格构原理1 交叉桁架体系交叉桁架体系由两向或三向交叉的平面桁架组成2 角锥体系角锥体系则分别由四角锥 三角锥 六角锥组成 网架结构的基本单元体 b e g几何可变体系 a c d f h几何不变体系 10 2网架的结构形式及选型 10 2 1网架的结构形式 1 交叉桁架体系 交叉桁架体系网架结构是由许多上 下弦平行的平面桁架相互交叉联成一体的网状结构 网架的结点构造与平面桁架类似 整个网架可由两向或三向的平面桁架交叉而成 两向相交的桁架的夹角可为任意角度 一般90 三向相交的桁架的夹角一般为60 10 2网架的结构形式及选型 10 2 1网架的结构形式 1 交叉桁架体系 分类两向正交正放网架 井字形网架 两向正交斜放网架两向斜交斜放网架三向交叉网架 两向正交正放网架 定义两向正交由两个相互交叉成90 方向的桁架组成 正放两个方向的桁架分别平行于建筑平面边线 两向正交正放网架 水平斜撑杆 选用原则 在矩形建筑平面中 网架的弦杆垂直于及平行于边界 两向正交斜放网架 定义两向正交由两个方向相互交叉成90 的桁架组成 斜放两个方向的桁架与其相应的建筑平面边线的交角为45 两向正交斜放网架 两向正交斜放短桁架对长桁架有嵌固作用 受力有利 角部产生拔力 常取无角部形式 两向斜交斜放适用于两个方向网格尺寸不同的情形 受力性能欠佳 节点构造较复杂 两向正交斜放网架 特点不仅适用于正方形建筑平面 而且也适用于任意尺寸的矩形建筑平面 使用范围较广泛 桁架长度不等 从受力角度看 短桁架对长桁架其支承作用 从而降低长桁架的内力 在周边支承的情况下 与正交正放网架相比 不仅空间刚度较大 而且用钢量也较省 特别在大跨度时 其优越性更为明显 两向正交斜放网架 结构布置两向正交斜放网架用于较长的矩形建筑平而时 布置方法如图所示 其平面桁架长度为其相应的直角边的倍 桁架最大的长度为建筑短边长度l1的倍 两向斜交斜放网架 定义两向斜交由两个方向的桁架斜向相交组成 斜放桁架弦杆与其相应的建筑平面边线成斜角 特点这类网架在网格布置 构造 计算分析和制作安装上都比较复杂 而且受力性能也比较差 除了特殊情况外 一般不宜使用 三向交叉网架 定义由三个方向的桁架互相交叉夹角60 而成的 上下弦网格均为三角形 特点空间刚度比两向网架好 杆件内力比较均匀 但结点汇交的杆件较多 结点构造比较复杂 适用于大跨度建筑 特别是平面为三角形 六边形和圆形时最为合适 三向交叉网架 结构布置 2角锥体系 定义由三角锥 四角锥或六角锥的锥体单元组成的空间网架结构 特点锥体网架因为不是桁架交叉组成 故网架的上下层网格之间设有竖向腹杆 上下网格之间的腹杆也就是锥体的棱角斜杆 1 三角锥体系 定义网架的基本单元是一倒置的三角锥体 组成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 上 下弦平面均为三角形网格 杆件受力均匀 本身为几何不变体 整体抗扭 抗弯刚度好 适用于大中跨度及重屋盖建筑物 当建筑平面为三角形 六边形和圆形时最为适宜 抽空三角锥网架 特点杆件数量减少 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 下弦网格较疏 以节省钢材 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 蜂窝形三角锥网架 定义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 特点上弦杆短 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 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 适用于中 小跨度周边支承的情况 可用于六边形 圆形或矩形平面 2 四角锥体系 一般四角锥体网架的上下弦平面均为方形网格 上 下弦错开半格 用斜腹杆连接上 下弦的网格交点 形成一个个相连的四角锥体 四角锥体网架上弦不另设置再分杆 网格尺寸受限制 不宜太大 适用于中 小跨度 常用的四角锥体网架有两种正放四角锥网架斜放四角锥体网架 正四角锥放网架 定义正放指锥的底边与相应的建筑平面周边平行 组成正放四角锥网架可以由倒四角锥 锥尖向下 单元组成 锥的底边相连成为网架的上弦杆 锥尖的连杆成为下弦杆 上 下弦杆平面错开半个网格 锥体的棱角杆件为腹杆 正放抽空四角锥网架 定义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 特点杆件数目较少 降低了用钢量 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 仍能满足工程要求 适用于屋面荷载较轻的中 小跨度网架 斜放四角锥体网架 定义斜放四角锥单元的底边与建筑物周边夹角为45 特点比正放三角锥体网架受力更为合理 因为四角锥体斜放以后 上弦杆短对受压有利 下弦杆虽长但为受拉杆件 这样可以充分发挥材料的强度 形式新颖 经济指标好 结点汇集的杆件数目少 构造简单 因此近年来用的较多 适用于中小跨度和矩形平面的建筑 棋盘形四角锥体网架 定义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特点具有短压杆 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 适用于小跨度周边支承的建筑 星形四角锥体网架 定义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 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 星形四角锥体网架 特点上弦为正交斜放 下弦为正交正放 斜腹杆与上弦杆在同一竖直平面内 具有短压杆 长拉杆的特点 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 适用于中 小跨度周边支承的网架 3 六角锥体网架 定义由六角锥单元组成 当锥尖向下时 上弦为正六方形网格 下弦为正三角形网格 当锥尖向上时 上弦为正三角形网格 下弦为正六角形网格 3 六角锥体网架 特点六角锥体网架杆件多 结点构造复杂 屋面板为六角形或三角形 施工比较困难 特殊要求时采用 10 3网架的主要尺寸 网架的高度与屋面荷载 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 网架高度应选得大一些 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的网架高度要大一些 当网架中有穿行管道时 网架高度要满足要求 10 3 1网架高度确定原则 网架的网格尺寸与高度关系密切 斜腹杆与弦杆夹角应控制在40 55 之间为宜 如夹角过小 节点构造困难 网格尺寸要与屋面材料相适应 网架上直接铺设钢筋混凝土板时 网格尺寸不宜过大 一般不超过3m 否则安装困难 对周边支承的各类网架高度及网格尺寸可按下表选用 10 3 2网格尺寸确定原则 注 1 L2为网架短向跨度 单位为米 2 当跨度在18m以下时网格数可适当减少 10 4 1网架的杆件网架的杆件可用钢管或角钢 杆件采用16锰薄壁钢管 钢管厚度最薄可为1 5mm 比较合理和有利 角钢杆件一般只在小跨度而且网架型式又简单的情况下使用 钢管杆件比角钢杆件有利 因为它的截面对受力有利 而且钢管杆件的结点连接构造比较简单 可以节省材料 降低金属用量 构件材料可用I级钢或 级钢 级钢为16锰合金钢 强度高 塑性好 性能稳定 满足焊接要求 采用 级钢比采用I级钢更能省料 10 4网架结构的杆件与节点 10 4 2网架的节点 网架结点的型式和构造应与杆件形式相配合 网架的节点上交汇的杆件多 且呈立体几何关系节点构造的好坏 对结构的受力性能 制造安装 工程进度 耗钢量和工程造价有相当大的影响 合理的节点构造首先要在坚固可靠的前提下使各方向的杆件轴线准确交汇于一点 避兔因构造的缺陷产生偏心 同时还要尽量使节点构造与计算假定相符合 否则会造成计算上的误差过大 特别是支座节点的构造 如果与计算假定的边界条件不符时 会造成很大的误差 甚至影响结构安全 构造简单 制作容易 便于安装和节省材料 焊接钢板结点节点的设计构造杆件的重心在节点处宜汇交于一点 杆件与节点的连接焊缝的截面重心应与杆件的重心相一致 节点板的厚度根据计算来确定 节点板上的连接杆件之间的间隙不宜小于20mm 焊接空心球结点杆件为钢管时 结点宜用钢球来连接 各杆件轴线易汇交于结点上的球心 构造简单 连接方便 用钢量少 结点体型小 形式轻巧美观 为了加强球的刚度 球内可焊上一个加劲环 螺栓球节点螺栓球结点是在实心钢球上钻出螺丝孔 用螺栓连接杆件 节点不需焊接 避免了焊接变形 同时加快了安装速度 也有利于构件的标准化 适于工业化生产 节点构造复杂 机械加工量大 焊接空心球节点 螺栓球连接节点图示 一 网架的支承方式 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 10 5网架的支承方式与支座节点 周边支承是在网架四周全部或部分边界节点设置支座 图a 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 c 周边支承 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 如图 点支撑 周边支撑与点支承结合 特点 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 二 支座形式 网架结构的支座节点一般采用铰支座 铰支座的构造应该符合它的力学假定 允许转动 否则网架的实际内力相变形就可能与计算值出人较大 容易造成事故 根据网架的跨度大小 支座受力特点和温度应力等因素的差别 一般可做成不动饺支座或半滑动的铰支座 有的网架 如两向正交斜放网架 角部对支座产生拉力 因此角部应做成能够抵抗拉力的铰支座 平板压力或拉力支座角位移受到很大的约束 只适用于较小跨度网架 平板压力支座 平板压力支座 单面弧形压力支座角位移未受约束 适用于中小跨度网架 单面弧形拉力支座适用于较大跨度网架 在承受拉力的锚栓附近应设加劲肋以增强节点刚度 双面弧形压力支座支座和底板间设有弧形块 上下面都是柱面 支座既可转动又可平移 球铰压力支座只能转动而不能平移 适用于多支点支承的大跨度网架 板式橡胶支座通过橡胶垫的压缩和剪切变形 支座既可转动又可平移 如果在一个方向加限制 支座为单向可侧移式 否则为两向可侧移式 10 6网架的屋面做法和坡度 10 6 1屋面做法1 有檩体系屋面 第二章网架结构 2 3网架的整体构造 2 无檩体系屋面屋面板的尺寸通常与网架上弦网格尺寸相同 一般应保证与之有三点焊牢 常见的屋面板有带肋钢丝网水泥板 预应力混凝土屋面板 太空板和GRC板等 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 10 6 2网架屋面坡度的做法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 网架屋面找坡 a 用小立柱 b 起拱 施工中的网架 10 7网架结构在中国的发展及实例 1 第一个网架 1964年 上海师范大学球类馆屋盖 31 5m 40 5m 角钢杆件 2 第一批有影响的网架1967年 首都体育馆 1973年 上海万人体育馆70年代初 辽宁体育馆 上海文化广场 4 80年代初 专业生产网架厂家出现 形成专业化生产 3 1981年 网架结构设计与施工规定 颁布 世界第一个由国