建筑结构选型8.ppt

6.6网架结构的构造,6.6.1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,6.6.2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。,焊接钢板结点杆件为角钢时，应与钢板连接。连接方法可以采用焊接、螺栓连接，或焊接与螺栓连接同时配合应用的方式。节点刚度大，整体性好，制造加工简单，质量易保证，成本低，适用于两向正交网架。,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。,焊接空心球结点制作用圆钢板放在加热炉内，待钢板烧成枣红色时，即放在专门压制半球壳的模具中用压力机冲压而成半球壳，然后去飞边，打成坡口，将两个半球壳焊接而成。,焊接空心球结点制作如承载力较大时，可在球中间加单片肋；如遇中校支座力量较大时，一般要加十字肋，其十字肋应与支座十字肋相重合。半球下料的直径D1.41d十8mm，d为球壳中面直径，8mm为预留切边余量。,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。,6.6.3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。,支座分类平板压力支座,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,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,各种柱帽形式,点支承网架与柱子相连宜设柱帽以减小冲剪作用。柱帽可设置于下弦平面之下(图a)，也可设置于上弦平面之上(图b)。当柱子直接支承上弦节点时，也可在网架内设置伞形柱帽(图c)，这种柱帽承载力较低，适用于中小跨度网架。,6.6.4柱帽,网架的屋面排水,网架屋面排水的特点网架覆盖的面积大，小坡度也会形成大的气魄高度。网架结构的屋面坡度一般取2%5%，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。,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。,网架屋面排水坡的形成,上海体育馆,6.7网架结构的工程实例,8181米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦标高为10.55米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为27米，沿横向间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶,厦门国际会展中心,结构体系网架结构,呈园形直径124.6米,由均匀分布在110米直径园周上的36根柱子支承,支承点以外悬挑7.30米,网架中部有气楼。网架高6米,中间起拱2.5米,由11400多根16锰无缝钢管和90多个钢球组成,设计总重量60吨,支承方式网架支承用摇摆支座,网架由36只摇摆座支承,网架节点三向球节点,连接方式焊接吊装后局部补焊,概况：,A380机库位于首都机场3号航站楼的北侧,其施工单位是北京建工集团,结构设计方案由中国航空工业规划设计研究院提供。该工程总建筑面积6.4万m2,局部地上3层,地下1层,由机库大厅和附楼两部分组成,其中机库大厅跨度2m*176.3m,进深110m,屋盖顶标高+39.800m。建成后可同时容纳4架A380空中客机或两架A380和4架B747大型客机,是目前世界上最大的飞机维修库。屋盖结构为3层焊接球型钢网架,总面积3.9万m2,总质量约为7000t,采用地面组拼、一次整体提升到位的施工方案,其一次提升面积和重量均堪称世界之最。在机库建设中屋盖结构的整体提升无疑是最大的技术难点。,一层平面：,首都机场机库能同时容纳四架波音747大型客机进行维修。由于机库功能的特殊性和对空间的特殊要求，平面布局采用大空间在一侧，辅助用房在机库另一侧的布局方式，将机库大空间做整。,内部空间：,飞机库内部主空间为供飞机停靠的大空间，高度和跨度都比一般建筑大，而且要求内部没有柱网等障碍。,立面造型：,飞机库整体造型为方形，立面为通透的玻璃材质。配合结构特点，整个建筑显得轻盈简洁。,结构分析：,屋盖结构设计是大跨度机库设计的关键，方案的制定必须要满足以下要求：根据机场空域高度的限制，机库屋顶最高点不得超过40m；屋顶结构的布置和尺寸应满足工艺使用和设置悬挂吊车的要求，屋盖结构的变形不影响悬挂吊车和机库大门的正常运行；机库能满足8度地震的抗震设防要求；同时还要考虑到屋盖结构制作、运输、吊装合理可靠，加快施工周期。根据以上原则，在经过多种方案比较之后，选用了多层四角锥网架和栓焊钢桥相结合的空间结构体系。,结构平面和立面：,机库结构平面图和结构立面图如图所示，其中机库大门处网架边梁设计成一箱形的空间桁架两跨连续钢梁，宽9.5m，高11.5m。,工程难点：,1、钢结构跨度大、面积大，为国内外之最：本工程钢结构跨度352.60m，进深114.5m，屋盖顶标高+39.800m。屋盖结构采用三层斜放四角锥钢网架，下弦支承，机库大门处屋盖采用焊接箱形钢桁架，宽9.5m，高11.5m。对于如此大跨度结构施工，国内并没有先例和成熟的施工经验可以借鉴，选取的科学的施工方案，确保工程质量、确保结构自身安全与施工安全、有效地控制施工进度、合理的降低施工成本是本工程以及类似工程的重中之重，必须进行深入细致地研究。,2、结构拼装质量要求高：本工程钢结构采用三层斜放四角锥钢网架与钢桁架结合的结构，跨度352.60m，进深114.5m，结构形式复杂，对施工中平面控制网的测量精度要求非常高；如何根据结构自身特点采取正确的拼装方法、拼装精度控制措施以及如何保证拼装完毕后整体结构的最后闭合，需要仔细研究。另外，本工程构件数量巨大，现场节点形式多样，如何结合结构跨度、进深、高度以及结构形式特点，采取有效的焊接工艺和焊接质量控制措施，确保焊接质量以及整体结构拼装质量是本工程的难点。,3、任务重、工期紧：首都机场四机位总工期三年。本工程为满足奥运会前投入使用的需要，将常规下的36个月工期缩短为20个月。,施工方案的选择：,现有的施工方案有高空散拼、分段吊装和整体提升三种，但考虑各自的优缺点以及人力物力、安全管理等条件，最终选择了整体提升这一施工技术。其优点是大量工作都可以在地面完成，减少工装脚手架用量，避免了高空作业，降低了工程的安全管理的难度。由于现场场地较大，可以形成多点、多面流水作业，加快地面拼装进度，有利于工程安装精度控制。,整体提升技术：,为了最大限度的满足结构设计的边界条件，确保工程质量；加快工程施工进度、为后续工作创造条件；降低工程成本；确保施工安全。对本工程，采用一次性整体提升就位的施工工艺。采用一次性整体提升结构有如下优点：提升的结构重量重，可达万吨以上；提升结构的尺寸、面积和体积大；计算机控制，自动化程度高；减少高空作业量，施工安全、可靠，降低施工风险；缩短施工周期，降低施工费用。根据以上分析我们决定采用网架与桁架同时提升的方案。,总结：,跨度大，高度高成为机库结构设计的关键；选用多层四角锥网架和栓焊钢桥相结合的空间结构体系；首都机场A380机库运用一次性整体提升技术，将平板网架结构进行组装；造型简洁轻盈；,哈尔滨水上世界HarbinWaterWorld,2008奥运会场馆（正放四角锥）,第7章网壳结构,7.1概述,7.2筒网壳结构,7.3球网壳结构,7.4扭网壳结构,7.5其它形状网壳结构,7.6网壳结构的选型,第7章网壳结构7.1概述,网壳结构：杆件按一定规律布置，通过节点连接而成的曲面状空间杆系结构。网壳结构，即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构。其外形为壳，其构成为网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。网壳结构优点：（1）网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。,（2）曲面形式，丰富的造型，通过使结构明暗对比、虚实对比。（3）由于杆件尺寸与整个网壳结构相比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性连续体，用薄壳结构分析结果进行定性的分析。（4）网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。,7.1.1网壳结构的分类,1）按层数分单层网壳：适合中小跨度（40米）双层网壳：具有较高的稳定性和承载力，可有效利用空间，方便天花或吊顶构造。2、按曲面形式分单曲面：筒网壳（柱面壳）双曲面：球网壳扭网壳,单层柱面网壳,柱面网壳,双层柱面网壳,单斜杆柱面网壳弗普尔柱面网壳交叉斜杆型柱面网壳联方网格型柱面网壳三向网格型柱面网壳,交叉桁架体系四角锥体系三角锥体系,正放四角锥柱面网壳抽空正放四角锥柱面网壳斜置正放四角锥柱面网壳,三角锥柱面网壳抽空三角锥柱面网壳,单层球面网壳,球面网壳,双层球面网壳,肋环型球面网壳施威德勒球面网壳联方型球而网壳三向网格型球面网壳凯威特型球面网壳短程线球面网壳,交叉桁架体系角锥体系,肋环型四角锥球面网壳联方型四角锥球面网壳联方型三角锥球面网壳平板组合式球面网壳,新青岛火车站,7.2筒网壳结构7.2.1单层筒网壳,图7-2-1单层筒网壳的形式,（a）联方型（b)弗普尔型（c）单斜杆型（d）双斜杆型（e）三向网格型,筒网壳也称为柱面网壳，是单曲面结构，其横截面常为圆弧形，也可采用椭圆形、抛物线形和双中心圆弧形等。,联方型筒网壳受力明确，屋面荷载从两个斜向拱的方向传至基础，简捷明了。室内呈菱形网格，犹如撒开的渔网，美观大方。其缺点是稳定性较差，由于网格中每个节点连接的杆件数少，故常采用钢筋混凝土结构。弗普尔型筒网格和单斜杆型筒网壳结构形式简单，用钢量少，多用于小跨度或荷载较小的情况，双斜杆型筒网壳和三向网格型筒网壳具有相对较好的刚度和稳定性，构件比较单一，设计及施工都比较简单，可是用于跨度较大和不对称荷载较大的屋盖中。,悉尼国际水上运动中心,增强结构刚度措施：,三向网格型,图7-2-3上海某中学体育馆三向网格型单层筒网壳屋盖,端部设横向端肋拱中部设横向加强肋拱设置下部支撑结构,7.2.2双层筒网壳,图7-2-4双层筒网壳的形式,1）按几何组成规律分类a、平面体系双层筒网壳;b、四角锥体系双层筒网壳;c、三角锥体系双层筒网壳。,图7-2-4北京体育大学网球竞技馆,图7-2-5正放四角锥形双层网壳结构实例,（2）按弦杆布置方向分类与平板网架一样，双层筒网壳主要受力构件为上、下弦杆，因此可按上、下弦杆的布置方向分成三类。1）正交类双层筒网壳：正交类双层筒网壳的上、下弦杆与网壳的波长方向正交或平行。图中两向正交正放、折线形、正放四角锥、正放抽空四角锥网壳等属于这一类结构。2）斜交类双层筒网壳：斜交类双层筒网壳的上、下弦杆与网壳的波长方向可形成任意夹角。只有两向斜交斜放网壳属于这一类结。3）混合类双层筒网壳：混合类双层筒网壳的部分弦杆与网壳的波长方向正交，部分斜交。图中除上述6种外均属于这一类结构。,7.2.3筒网壳结构的受力特点,正交类网壳的外荷载主要由波长方向的弦杆承受，纵向弦杆的内力很小。很明显结构是处于单向受力状态，以拱的作用为主，网壳中内力分布比较均匀，传力路线短。斜交类网壳的上、下弦杆是与壳体波长方向斜交的，因此外荷载也是沿着斜向逐步卸荷的，拱的作用不是表现在波长方向，而是表现在与波长斜交的方向。通常最大内力集中在对角线方向，形成内力最大的“主拱”，主拱内上、下弦杆均受压。混合类网壳受力比较复杂。,7.2.4筒网壳结构的支承,网壳结构的受力与其支承条件有很大关系。网壳结构的支承一般有两对边支承、四边支承、多点支承等。1）两对边支承两对边支承的筒网壳结构，按支承边位置的不同，有两种情况。当筒网壳结构以跨度方向为支座时，即成为筒拱结构，拱脚常支承于墙顶圈梁、柱顶连系梁，或侧边桁架上，或者直接支承于基础上，为解决拱脚推力问题，可采用以下四种方案：,（1）设拉杆：柱间拉杆的间距为网格纵向尺寸的倍数，一般为1.53m。（2）设墙垛：为取消室内拉杆，可用斜墙垛来抵抗拱脚推力。（3）设斜柱、墩：把柱轴线按斜推力方向设置来承受侧向推力。（4）拱脚落地：即采用落地拱式筒网壳，其斜推力直接传入基础，故用料最为经济，但对基础要求较高。,当筒网壳结构在波长方向设支座时，网壳以纵向梁的作用为主。这时网壳的端支座若为墙，应在墙顶设横向端拱肋，承受由网壳传来的顺剪力，成为受拉构件，其端支座若为变高度梁，则为拉弯构件。梁式筒壳的纵向两侧边应同时设侧边构件，如设置边梁或边桁架。最简单的方法是在拱脚部分网壳边设纵向长网肋构成边桁架，可垂直设置或水平设置，一般以水平设置为佳当跨度大时，可在拱脚做成三角形截面的立体边桁架。,2）四边支承与多点支承四边支承或多点支承的筒网壳结构可分为短壳、长壳和中长壳。筒网壳的受力同时有拱式受压和梁式受弯两个方面，两种作用的大小同网格的构成及网壳的跨度与波长之比有关。短网壳的拱式受压作用比较明显，而长网壳表现出更多的梁式受弯构件，中长壳的受力特点则界于两者之间。由于拱的受力性能要优于梁，因此在工程中多采用短壳。长网壳结构时，可在筒网壳纵向的中部增设加强肋。,图7-2-6黑龙江省展览馆某网壳屋盖（a）网壳平面图；(b)边拱架；(C)加强拱架,如黑龙江省展览馆某屋盖，采用了三向单层筒网壳结构。网壳的波长S=20.72m，跨度L=48.04m，矢高为6m。在跨度方向中间设了两个加强拱架，将长壳转化为两个短壳，如图所示。,同济大学大礼堂,同济大学大礼堂,1.钢筋混凝土联方网格型筒壳结构,2.预制杆件，高空拼装并现浇节点混凝土,3.平面40m*56m，矢高8-8.5m,7.3球网壳结构,分类,单层球面网壳,球面网壳,双层球面网壳,肋环型球面网壳施威德勒球面网壳联方型球而网壳凯威特型球面网壳三向网格型球面网壳短程线球面网壳,交叉桁架体系角锥体系,肋环型四角锥球面网壳联方型四角锥球面网壳联方型三角锥球面网壳平板组合式球面网壳,球网壳的关键在于球面的划分。球面划分的基本要求有二：（1）构件规格尽可能少，以便制作与安装；（2）形成的结构必须是几何不变体。,7.3.1单层网壳,1）肋环型网格2）施威特勒型网格,图7-3-1肋环型球面网壳,图7-3-3施威特勒型网格,只有经向杆和纬向杆，无斜杆，大部分网格呈四边形，其平面图酷似蜘蛛网。节点一般为刚性连接。,经向网肋、环向网肋和斜向网肋构成。规律性明显。刚度较大，能承受较大非对称荷载，可用于大中跨度穹顶。,图7-3-4联方型网格,图7-3-5中国科技馆球形影院,3）联方型网格由左斜肋与右斜肋构成菱形网格，也可加设环向肋，形成三角形网格。特点是没有径向杆件，规律性明显，造型美观，仰视，像葵花一样。其缺点是网格周边大，中间小，不够均匀。联方型网格网壳刚度好，可用于大中跨度的穹顶。,4）凯威特型网格,图7-3-6凯威特形网格,凯威特型网格其选用n根（n为偶数，且不小于6根）通长的径向杆将球面分成n个扇形曲面，然后在每个扇形曲面内用纬向杆和谐向杆划分成比较均匀的三角形网格。在每个扇区中各左斜杆相互平行，各右斜杆也相互平行，故亦称为平行联方型网格。这种网格由大小均匀，避免了其它类型网格由外向内大小不均的缺点，其内力分布均匀，刚度好，故常用于大中跨度的穹顶中。,图7-3-7大庆林源炼油厂多功能厅屋盖,图为大庆林源炼油厂多功能厅屋盖，采用1/3球形，落地直径为30m，矢高10m。采用单层钢网壳结构，网壳呈凯威特形网格，曲率半径16.05m，设计跨度25.6m，矢高6.2m。网壳下部的承重结构为12个钢筋混凝土支架，支架上部设圈梁连接成整体，网壳边节点全部与圈梁整浇。,5）三向网格型6）短程线型网格,图7-3-8三向网格型,图7-3-9短程线型网格,由竖平面相交成60度的三族竖向网肋构成，如图所示。其特点是杆件种类少，受力比较明确。可用于中小跨度的穹顶。,所谓短程线，是指球面上两点间最短的曲线，这条最短的曲线必定是位于由该两点球心所组成的平面与球面相交的大圆圆周上。,6）短程线型网格圆球内接的最大正多面体是正二十面体，把内接正二十面体各边正投影到球面上，把球面划分成二十个全等的球面正三角形，其分割线在球面上所形成的网格，是杆长规格最少且杆长最短的球壳网格。但该网格的边长为0.5257D,杆长太大，在建筑工程中并不实用，而要把这些球面正三角形再全等分成更小的球面正三角形又不可能，因此以后只能根据弧长相等的原则进行二次划分（图b），所得到的网格称为短程线型网格，二次划分的次数称为短程线型网格的频率。,6）短程线型网格通过不同的划分方法，可以得到三角形，菱形、半菱形、六角形等不同的网格形式。二次划分后的所有小三角形虽不完全相等，但相差甚微（图c）。因此，短程线形网格规整均匀，杆件和节点种类在各种球面网壳中是最少的，适合于在工厂大批量生产。短程线网格穹顶受力性能好，内力分布均匀，传力路线短，而且刚度大，稳定性好，因此具有良好的应用前景。,6）短程线型网格,图7-3-10单层短程线球网壳实例,7)双向子午线网格,图7-3-11双向子午线网格,双向子午线网格是由位于两组子午线上的交叉杆件所组成，如图所示。它所有杆件都是连续的等曲率圆弧杆，所形成的网格均接近方形且大小接近。该结构用料省，施工方便，是经济有效的大跨度空间结构之一，已被用作许多石油及化学品储藏罐的顶盖。,8)混合型,图7-3-12上海科技馆,7.3.2双层球网壳,1）双层球网壳的形成,图7-3-13短程线型的双层球面网壳,当跨度大于40m时，不管是从稳定性还是从经济性的方面考虑，双层网壳要比单层网壳好得多。双层球壳是由两个同心的单层球面通过腹杆连接而成。各层网格的形成与单层网壳相同，对于肋环型、施威特勒型、联方型、凯威特型和双向子牛线型等双层球面网壳，通常多选用交叉桁架体系。三向网格型和短程线型等双层球面网壳，一般均选用角锥体系。,1）双层球网壳的形