建筑结构选型--------网架结构PPT课件.ppt

建筑结构选型 第7章网架结构 2020 3 19 1 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 2020 3 19 2 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 2020 3 19 3 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 2020 3 19 4 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 2020 3 19 5 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 2020 3 19 6 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 2020 3 19 7 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 2020 3 19 8 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 2020 3 19 9 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 2020 3 19 10 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 2020 3 19 11 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 2020 3 19 12 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 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 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 上弦压杆短 下弦拉杆长 受力比正放四角锥更为合理 每个节点交汇的杆件数量较少 因此用钢量较少 2020 3 19 13 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 2020 3 19 14 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 2020 3 19 15 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 2020 3 19 16 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 2020 3 19 17 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 2020 3 19 18 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 2020 3 19 19 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 2020 3 19 20 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 2020 3 19 21 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 2020 3 19 22 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 2020 3 19 23 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 2020 3 19 24 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 2020 3 19 25 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 2020 3 19 26 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 2020 3 19 27 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 2020 3 19 28 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 2020 3 19 29 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 2020 3 19 30 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 2020 3 19 31 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 2020 3 19 32 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 2020 3 19 33 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 2020 3 19 34 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 2020 3 19 35 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 2020 3 19 36 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 2020 3 19 37 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 2020 3 19 38 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 2020 3 19 39 网架结构的构造 杆件截面 3 补充知识 钢材成型工艺 热轧 煅制 冷弯 冷拉 冷拔 轧 2020 3 19 40 网架结构的构造 杆件截面 3 补充知识 常见型钢 热轧工字钢 热轧槽钢 热轧角钢 热轧扁钢 热轧圆钢 热轧方钢 热轧六角钢 冷弯槽钢 冷弯C型钢 冷弯角钢 冷弯Z型钢 冷弯方 矩形钢 冷弯异型钢 无缝管 壁厚一般 5mm 高频电焊管 壁厚一般 5mm 2020 3 19 41 网架结构的构造 杆件截面 4 杆件选型 A 截面形式 有条件时应采用薄壁 如高频电焊 管形截面 当采用角钢时 对中小跨 可采用双角截面 对大跨 可将角钢拼成十字形或箱形 B 截面尺寸 角钢 L50 3 圆管 48 2 单角钢和双角钢截面 角钢拼成的十字形截面 角钢拼成的箱形截面 2020 3 19 42 网架结构的构造 节点 1 焊接钢板节点 A 组成 十字节点板 盖板 十字节点板 盖板 中心加强钢管 B 应用 特点适合于型钢体系 用于交叉桁架体系 用于四角锥体系 也可用于钢管四角锥体系 C 优点 刚度大 用钢少 造价低 易制作 D 缺点 焊接工作量大 且有仰焊和立焊等困难操作 对焊接技术要求高 2020 3 19 43 网架结构的构造 节点 2 焊接空心球节点 A 构成 不加肋 加肋 可提高承载力10 40 肋板 肋板挖空减轻自重及用钢量 焊接空心球节点由两个半球对焊而成 分为不加肋和加肋两种 B 优点 构造简单 受力明确 连接方便 不易产生偏心 可任意方向连接 C 应用 特别适用于连接钢管杆件 2020 3 19 44 网架结构的构造 节点 3 螺栓球节点 A 组成 由螺栓 钢球 销子 或螺钉 套简和锥头 或封板 等零件组成 B 优点 适用性强 可用于桁 塔 网架 壳 等 标准化程度高 运输安装方便 无现场焊接 不产生焊接形变和应力 无偏心 C 缺点 构造复杂 机械加工量大 D 应用 适用于连接钢管杆件 2020 3 19 45 网架结构的构造 支座形式 1 压力支座 A 类型 用于钢板节点 用于球节点 B 优点 构造简单 制作方便 用钢量少 C 缺点 支座不能转动或移动 反力分布不均匀 与计算假定相差较大 D 应用 一般只用于小跨度的网架 1 平板压力支座 2 单面弧形压力支座 A 构成 在平板压力支座的基础上 在支座底板与支承面顶板之间加设一呈弧形的支座垫块而成 B 优点 可以转动 反力均匀 C 类型 如右图 二螺栓连接 四螺栓连接 D 应用 用于中小跨度 转动灵活 反力较大时使用 2020 3 19 46 网架结构的构造 支座形式 1 压力支座 3 双面弧形压力支座 A 构成 在支座底板与支承面顶板间设置一块两面为弧形的铸钢块 并在其两侧设有从支座底板与支承面顶板上分别焊出开有椭圆形孔的梯形钢板 然后用螺栓将它们连成一体 如右图 B 优点 可转动和一定侧移 D 应用 适用于跨度大且下部支承结构刚度较大 或温度变化较大 要求支座节点既能转动又能滑移的网架 C 缺点 构造复杂 造价较高 只能单向转动 侧视 正视 4 球铰压力支座 A 构成 由一个置于支承面上的凸形实心半球与一个连于节点支承底板上的凹形半球相互嵌合 并以锚栓相连而成 双面弧形压力支座 B 优点 可沿各方向转动而无水平位移 与理想铰支座吻合较好 有利于抗震 C 缺点 构造复杂 D 应用 适用于点支承网架 球铰压力支座 2020 3 19 47 网架结构的构造 支座形式 5 板式橡胶支座 A 构成 在平板压力支座中增设一块由多层橡胶片与薄钢片粘合 压制而成的橡胶垫板 并以锚栓相连 B 优点 可转动和一定侧移 可适应温度和地震作用 构造简单 安装方便 节省钢材 造价较低 C 缺点 橡胶易老化 节点构造须考虑以后更换的可能性 橡胶垫块必须由专业工厂生产制作 D 应用 适于具有水平位移及转动要求的大中跨度网架 2 拉力支座 1 平板拉力支座 A 构成 平板拉力支座的构造形式与平板压力支座相似 不同之处是平板拉力支座的锚栓承受拉力 用于钢板节点 用于球节点 B 应用 适用于跨度和支座拉力较小的网架 2020 3 19 48 网架结构的构造 支座形式 2 拉力支座 2 单面弧形拉力支座 A 构成 在单面弧形压力支座的基础上 加设适当的水平钢板和竖向加劲肋而成 拉力也是靠受拉锚栓传递 C 应用 适用于大中跨度的网架 B 优点 可满足节点转动要求 柱帽 1 作用 扩散点支承的反力 2 形式 1 柱帽在下弦平面之下 B 优点 反力扩散快 C 缺点 占用室内空间 柱帽在下弦之下 柱帽在上弦之上 上弦节点在柱顶 2 柱帽在上弦平面之上 B 优点 不占室内空间 可兼做采光 放置灯光 音响设备等 3 上弦节点在柱顶 B 优点与应用 不占室内空间 构造简单 多用于轻型或中小跨度网架 2020 3 19 49 网架结构的构造 屋面 1 屋面排水坡度的形成 1 上弦节点上加小立柱找坡 A 构成 在上弦节点上加小立柱形成排水坡 C 应用 尤其适用于空心球节点或螺栓球节点的网架 B 优点 构造简单 方法灵活 可形成两 四 多坡排水屋面 D 注意事项 对于大跨度网架 当小立柱高度较大时 应验算小立柱自身的受压稳定性 2 网架变高度找坡 A 构成 上弦节点位于不同标高 下弦节点仍位于同一水平面内 B 优点 网架内力趋于均匀 C 缺点 杆件类型增多 制作安装不便 3 整个网架起坡 4 支承柱变高度 2020 3 19 50 网架结构的构造 屋面 2 天窗架 1 锥体天窗架采光 局部形成三层网架 杆件多按构造确定 2 平面天窗架采光 将天窗架设计成平面结构 可省去大量锥杆 仅需局部布置支撑即可 天窗架平面布置图 剖面图 3 锯齿形天窗架采光 对于有北向采光要求的厂房 可采用锯齿形天窗 2020 3 19 51 网架结构的构造 屋面 3 屋面构造 1 无檩屋面 网架角点直接支承钢丝网水泥板 钢筋混凝土肋形板等 自重较大 2 有檩屋面 有檩屋面是在网格上布置薄壁型钢檩条和在木椽 船 音 上铺木望板 平铺在椽子上的木板 再铺保温材料及铝板或铁皮防水 有檩屋面与无檩屋面 椽子 架在房檩承托屋面板和瓦的长木条 椽桷 承屋瓦用的圆木与方木 圆的叫椽 方的叫桷 泛指椽子 2020 3 19 52 组合网架结构 概述 1 构成 以钢筋混凝土肋形板代替网架结构上弦杆和屋面板而形成的三维空间结构 立体图 剖面图 2 优点 1 力学上由于以屋面板代替上弦压杆 因此抗压稳定性好 刚度大 提高30 50 抗需性能好 跨度大 截面高度小 2 经济上节约钢材 15 25 网架截面高度范围内可做设备层 安装维修方便 3 缺点 上弦节点构造复杂 4 注意事项 网架边缘所有节点均应与竖向抗侧力结构有可靠连接 2020 3 19 53 组合网架结构 受力特点 1 受力特点 1 上弦板既有平面内力又有弯曲内力 2 上弦板肋既有轴力 又有弯矩及扭矩 2 上弦节点构造要求 上弦平面内必须为刚接 平面外可为铰接 3 计算方法 1 有限元法上弦板肋用梁元 上弦板用壳元 其它杆件用杆元来模拟 2 拟夹层板法网架的上下弦分别看成是夹层的上下表层 网架腹杆看成是夹层的夹心层 3 空间桁架位移法根据能量原理 把上弦板等代为四组或三组上弦平面内的平面交叉杆系 使组合网架转化为一个等代的空间铰接杆系结构 结构型式 1 两向正放类 包括两向正交正放组合网架 正放四角锥组合网架 正放抽空四角锥组合网架及棋盘形四角锥组合网架 2 两向斜放类 包括两向正交斜放组合网架 斜放四角锥组合网架及星形四角锥组合网架 3 三向类 包括三向组合网架 三角锥组合网架及抽空三角锥组合网架 4 蜂窝形三角锥类 各类组合网架对应的上弦板 2020 3 19 54 组合网架结构 施工方法 1 高空散装法 各元件在高空定位 逐一安装 该法需设满堂支架 2 高空滑移法 组合网架在地面组装成条状 吊装后在高空滑移就位 3 整体提升法 组合网架在地面组装成形再整体提升 但起重量较大 主要适合于多层及高层建筑楼盖结构 高空散装法 高空滑移法 整体提升法 2020 3 19 55 组合网架结构 上弦节点构造型式 1 焊接十字板节点 1 注意事项A 板肋底部预埋钢板应与十字节点板的盖板焊接牢固 B 必要时盖板上可焊接u形短钢筋 埋入灌缝中的后浇细石混凝土内 缝中宜配置通长钢筋 C 当组合网架用于楼层时 宜采用配筋后浇细石混凝土面层 2 应用与实例主要用于角钢组合网架 工程实例有新乡百货大楼扩建工程 长沙纺织大厦等 新乡百货大楼 焊接十字板节点 2020 3 19 56 组合网架结构 上弦节点构造型式 2 焊接球缺节点 1 构成由冲压成型的球缺 一般不足半球 与钢盖板焊接而成 2 优点刚度大 加工制作简单 旗杆连接方向性强 3 螺栓盘节点 构成螺栓盘与网格中心的埋件采用对穿高强度螺栓连接 腹杆与螺栓盘的连接方式与一般螺旋球节点相同 预制上弦板