钢结构原理教案20

1、 闽南理工学院备课笔记 第20次课9.2 空间网架屋盖结构空间网架结构是空间网格结构（space frame）的一种。一般地，它是以大致相同的格子或尺寸较小的单元组成的。目前，我国空间结构中以网架结构发展最快，应用最广。网架结构是指平板网架和网壳结构，人们常常将平板型的空间网格结构简称为网架，将曲面型的空间网格结构简称为网壳。网架一般是双层的，在某些情况下也可做成三层；而网壳有单层和双层两种。平板网架无论在设计、计算、构造还是施工制作等方面均较为简便，因此是近乎“全能”地适用于大、中、小跨度屋盖体系的一种良好的结构形式。9.2.1 空间结构的特性空间结构是由一整块连续空间体构成的或者是由许多杆

2、件扩展而成的，不论何种构成方式，它们都是以整个结构的形体来承受外来荷载。空间结构里每一构件均是整体结构的一部分，按照空间的几何特性分担承受荷载任务，没有平面结构体系中构件之间那种主次关系。空间结构不仅具有三度空间的结构体形，而且在荷载作用下为三向受力，呈空间工作状态并以面内力或轴力为主。因其三维结构体形和多向受力计算特征，空间结构将平面结构体系的受力杆件与支撑体系有机融合在一起，整体性好，能适应各种非对称荷载、集中荷载和动荷载。这一鲜明特征使得空间结构的杆件截面远较平面结构的小，大大减轻结构自重。空间结构一般是高次超静定结构，良好的内力重分布能力使其具有额外的安全储备，可靠程度较高。除了优良的

3、力学性能以外，大多数空间结构还具有良好的抗震性能。空间结构能适应不同跨度、不同支承条件的各种建筑要求。形状上也能适应方形、矩形、多边形、圆形、扇形、三角形以及由此组合而成的各种形状的建筑平面，同时，又有建筑造型轻巧、美观、便于建筑处理和装饰等特点。9.2.2 平板式空间网架的形式网架结构的形式较多。按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架；按支承情况分，有周边支承、点支承、周边支承与点支承相结合，两边和三边支承等；按网格单元的组成情况，可分为由两向或三向平面桁架组成的交叉桁架体系、由三角锥体或四角锥体组成的空间桁架角锥体系等等。这里只介绍最常用的几种。1按弦杆层数分类（1）双层网架双层网架是由上

4、弦、下弦和腹杆组成的空间结构，如图9-14a所示，是最常用的网架形式。（2）三层网架三层网架是由上弦、中弦、下弦、上腹杆和下腹杆组成的空间结构，如图9-14b所示，其特点是增加网架高度，减小弦杆内力，减小网格尺寸和腹杆长度。当网架跨度较大时，三层网架用钢量比双层网架用钢量省。但由于节点和杆件数量增多，尤其是中层节点所连杆件较多，使构造复杂，造价有所提高。图9-14双层及三层网架2按支承情况分类（1）周边支承网架周边支承网架（见图9-15）是指网架四周边界上的全部节点均为支座。支座节点可支承在柱顶，也可支承在柱间桁架或连系梁上。由于这种网架的支承点多，故传力直接、受力均匀，是采用较多的一种形式。

5、当网架周边支承于柱顶时，网格宽度可与柱距一致，如图9-15a所示。为保证柱子的侧向刚度，沿柱间侧向应设置边桁架或刚性系杆。当网架周边支承于圈梁时，网格的划分比较灵活，可不受柱距的约束，如图9-15b所示。图9-15 周边支承网架（2）点支承网架点支承网架（见图9-16）的支座可支承在四个或多个支承柱上。前者称为四点支承网架（见图9-16a），后者称为多点支承网架（见图9-16b）。点支承网架主要适用于体育馆、展览厅等大跨度公共建筑中。图9-16 点支承网架这种网架由于支承点较少，因此支点反力较大。为了使通过支点的主桁架及支点附近的杆件内力不致过大，宜在支承点处设置柱帽以扩散反力。通常将柱帽设置

6、于下弦平面之下（见图9-17），或设置于上弦平面之上（见图9-17b）。当柱子直接支承上弦节点时，也可在网架内设置伞形柱帽（见图9-17c），这种柱帽承载力较低，适用于中小跨度网架。点支承网架周边应有适当悬挑以减少网架跨中杆件的内力及挠度。图9-17 柱帽的形式（3）周边支承与点支承相结合的网架周边支承与点支承相结合的网架（见图9-18）是在周边支承的基础上，在建筑物内部增设中间支承点。这样可以有效地减少网架杆件的内力峰值和挠度，达到节约钢材的目的。这种支承方式的网架适用于大柱网工业厂房、仓库和展览厅等建筑。图9-18 周边支承与点支承相结合的网架（4）三边支承或两边支承网架在矩形平面的建筑中

7、，由于考虑扩建或因生产工艺及建筑功能的要求，在网架的一边或两边不允许设置支承柱时，则需要将网架设计成三边支承一边自由或两边支承两边自由的形式，如图9-19所示。自由边界的存在对网架的内力分布和变形都不利，故应对自由边界进行适当处理，以改善网架的受力状态。一般的做法是在自由边附近增加网架的层数（见图9-20），或者在自由边加设托梁、托架（见图9-20b）。对中、小型网架也可选择增加网架高度或局部加大杆件截面等方法给予改善和加强。图9-19 三边支承和两边支承网架图9-20 自由边的处理3按网格单元的组成分类（1）平面桁架系网架此类网架上下弦杆长度相等，上下弦杆与腹杆位于同一垂直平面内。一般情况下

8、竖杆受压，斜杆受拉。斜腹杆与弦杆夹角宜在400600之间。桁架的节间长度即为网格尺寸。这些平面桁架可沿两个方向或三个方向布置，当为两向交叉时其交角可为900（正交）或任意角度（斜交）；当为三向交叉时其交角为600。这些相互交叉的竖向平面桁架当与边界方向平行（或垂直）时称为正放，与边界方向斜交时称为斜放。因此，随着这些桁架之间交角的变化和边界相对位置的不同，构成了一些不同的各具特点的网架形式。两向正交正放网架两向正交正放网架（见图9-21）的构成特点是：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且分别与边界方向平行，网格数宜布置成偶数，如为奇数，桁架中部节间应做成交叉腹杆。由于上下弦杆组成的网格为矩形，且

9、平行于边界，腹杆又在弦杆平面内，属几何可变体系。为保证结构的几何不变性以及增加空间刚度，使网架能有效地传递水平荷载，应适当设置水平支撑。对周边支承网架，水平支撑宜在上弦或下弦网格内沿周边设置；对点支承网架，水平支撑则应在通过支承的主桁架附近的四周设置。两向正交正放网架的受力性能类似于两向交叉梁。对于周边支承者，平面尺寸越接近正方形，两个方向桁架杆件内力越接近，空间作用越显著。随着建筑平面边长比的增大，短向传力作用明显增大。图9-21 两向正交正放网架两向正交斜放网架两向正交斜放网架（见图9-22）的构成特点是：两个方向的竖向平面桁架垂直交叉，且与边界成450夹角。两向正交斜放网架中平面桁架与边

10、界斜交，各片桁架长短不一，而其高度又基本相同，因此，靠近角部的短桁架相对刚度较大，对与其垂直的长桁架有一定的弹性支承作用，从而减小了长桁架中部的正弯矩。所以在周边支承情况下，它较两向正交正放网架刚度大、用料省，对矩形平面其受力也比较均匀。当长桁架直通角柱时（见图9-22），四个角支座会产生较大向上拉力，设计中应予注意。如采用（图9-22b）的布置方式，因角部拉力由两个支座分担则可避免过大的角支座拉力；在周边支承情况下，若对支座节点沿边界切线方向加以约束，则设计时应考虑在与支座连接的圈梁中因此产生的拉力。图9-22 两向正交斜放网架三向网架三向网架（见图9-23）的构成特点是：三个方向的竖向平面

11、桁架互成600角斜向交叉，上下弦平面内的网格均为几何不变的三角形。网架空间刚度大，受力性能好，内力分布也较均匀，但汇交于一个节点的杆件最多可达13根。节点构造比较复杂，宜采用钢管杆件及焊接空心球节点。三向网架适用于大跨度（l>60m）的多边形及圆形平面。图9-23 三向网架（2）四角锥体系这类网架以四角锥为其组成单元。网架上下弦平面均为方形网格，下弦节点均在上弦网格形心的投影线上，与上弦网格四个节点用斜腹杆相连。通过改变上下弦的位置、方向，并适当地抽去一些弦杆和腹杆，可得到各种形式的四角锥网架。正放四角锥网架（见图9-24）正放四角锥网架的构成特点是：以倒四角锥体为组成单元，锥底的四边为

12、网架的上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆，它的上、下弦杆均与相应边界平行。正放四角锥网架的上、下弦节点均分别连接8根杆件。当网格两个方向尺寸相等且腹杆与下弦平面夹角为450时，网架的所有杆件（上、下弦杆和腹杆）等长，便于制成统一的预制单元，制造、安装都比较方便。正放四角锥网架的杆件受力比较均匀，空间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量偏大。适用于接近于方形的中小跨度网架，宜采用周边支承。图9-24 正放四角锥网架正放抽空四角锥网架（见图9-25）图9-25 正放抽空四角锥网架正放抽空四角锥网架的构成特点是：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

13、下弦网格尺寸比上弦网格尺寸大一倍。正放抽空四角锥网架的杆件数目较少，构造简单，经济效果好，起拱比较方便。不过抽空以后，下弦杆内力的均匀性较差，刚度比未抽空的正放四角锥网架弱一些。在抽空部位可设置采光或通风天窗。由于周边网格不宜抽取，两个方向网格数宜取奇数。斜放四角锥网架（见图9-26）斜放四角锥网架的构成特点是：以倒四角锥体为组成单元，由锥底构成的上弦杆与边界成450夹角，而连接各锥顶的下弦杆则与相应边界平行。这样，它的上弦网格呈正交斜放，下弦网格呈正交正放。网架上弦杆短，下弦杆长，受力合理。下弦节点连接8根杆，上弦节点只连接6根杆。适用于中小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的矩形平面。

14、周边支承的斜放四角锥网架，在支承沿周边切向无约束时，四角锥体可能绕Z轴旋转（见图9-27）而造成网架的几何可变，因此必须在网架周边布置刚性边梁；点支承的斜放四角锥网架，可在周边设置封闭的边桁架以保持网架的几何不变。 图9-26 斜放四角锥网架 图9-27 棋盘形四角锥网架（图9-28）在正放四角锥网架基础上，保持周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空。上弦杆为正交正放，下弦杆与边界成450角，为正交斜放。这种网架上弦短杆受压，下弦长杆受拉，节点汇交杆件少。适用于小跨度周边支承情况。图9-28 棋盘形四角锥网架星形四角锥网架（见图9-29）星形四角锥网架的组成单元形似一星体，如图9-29b所示。将四

15、角锥底面的四根杆用位于对角线上的十字交叉杆代替，并在中心加设竖杆，即组成星形四角锥。十字交叉杆与边界成450角，构成网架上弦，呈正交斜放。下弦杆呈正交正放。腹杆与上弦杆在同一竖向平面内。星形网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。竖杆受压，内力等于节点荷载。当网架高度等于上弦杆长度时，上弦杆与竖杆等长，斜腹杆与下弦杆等长。星形网架一般用于中小跨度周边支承情况。图9-29 星形四角锥网架（3）三角锥体系三角锥体系网架的基本单元是锥底为正三角形的倒置三角锥，如图9-30a所示。锥底三条边为网架上弦杆，棱边为网架的腹杆，连接锥顶的杆件为网架下弦杆。三角锥网架主要有三种形式。三角锥网架（见图9-30）三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格，上下弦节点各连9根杆件。当网架高度为网格尺寸的倍时，上下弦杆和腹杆等长。三角锥网架受力均匀，整体性和抗扭刚度好，适用于平面为多边形的大中跨度建筑。图9-30 三角锥网架抽空三角锥网架（见图9-31）保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分腹杆和下弦杆，可得到抽空三角锥网架。图9-31所示的抽杆方法是沿网架周边一圈的网格不抽