平板网架结构选型的探讨

1、平板网架结构选型的探讨07级土木工程甲班 邓睿 200730121127摘要：平板网架结构由于具有空间受力、整体性及稳定性好、刚度大、抗震性能好、造型美观等特点, 越来越多地用于体育馆、俱乐部等公共建筑中。但网架结构采用钢结构, 而钢材价格较高, 因此, 科学、合理地设计网架, 节约材料, 降低造价, 具有较大的工程意义。国内外在此方面已作过不少的研究。关键词：平板网架结构的形式和特点，平板网架结构的选型正文：网架是一种新型的屋盖承重结构，属于多次超静定空间结构体系，它改变了一般平面架结构的受力状态，能够承受来自各方面的荷载。这种平板形网架，结构新颖美观，杆件规律性强，网格划一，整体性好，空间

2、刚度大，抗震性能好，杆件之间全部采用焊接或螺栓连接，便于安装，操作简便，受力明确。它广泛用于体育馆、展览厅、餐厅、候车室、仓库及单层多跨工业厂房等屋盖承重结构。平板型网架是从连续体平板演变而来的, 因此, 平板型网架( 以下简称网架) 首先用于周边简支的情况。随着建筑工业化的进展, 工程界对其优点的认识逐步加深, 由于其几何形状的组合规律很容易标准化, 便于工厂化生产, 因而有可能提供成批的构配件, 使单位产品在制作和安装中耗费最小的劳动量。以后出现了网架结构体系化和商品化, 促使网架结构的使用范围逐步扩大, 开始由公共建筑向工业建筑等各类建筑扩展, 这些屋盖的支承情况就不止是周边支承一种,

3、而可能是各种各样的支承条件,所以, 在各种情况下如何选择适宜的网架结构形式值得探讨。网架结构从其结构、组成形式来看, 目前常用的有: 交叉桁架体系, 即由许多平行弦桁架纵横交叉联成一个网状结构, 有双向网架和三向网架两类; 四角锥体系, 由许多四角锥体组成的网架,可分为正放四角锥网架和斜放四角锥网架, 其中又可分出抽空型和满锥型网架。三向网架从其几何构造情况看, 实质上也属于三角锥组成的网架, 刚度很大。由于网架结构形式变换比较灵活,随着人们对客观规律认识的加深, 还会不断创造新的结构形式。网架结构的选型要力争做到经济合理、完全、美观。一个工程设计选什么样的网架结构形式, 首先要考虑如何满足该

4、建筑物的使用功能。目前常用的平板网架主要有平面桁架系平板网架和空间桁系平板网架两大类：1. 平面桁架系平板网架平面桁架系平板网架是由两向交叉或三向交叉的平面桁架组成的平板网架.它的主要特点是组成平板网架的各平面桁架均为平行弦桁架,其上下弦杆和腹杆均在同一竖直平面内, 斜腹杆通常设计成拉杆, 竖杆设计成压杆,斜腹杆与弦杆间夹角以40°60°为宜, 节点构造类似于平面面桁架。2. 空间桁架系平板网架所谓空间桁架系平板网架实际上是由一系列三角锥、四角锥或六角锥体组合而成的平板网架, 它是真正的空间结构, 比平面桁架平板网架刚度大, 受力性能好, 空间桁架系平板网架可分为四角锥体系

5、平板网架和三角锥体系平板网架。( 1) 四角锥体系平板网架, 由一系列四角锥按一定规律组合而成的平板网架称为四角锥体系平板网架, 它的主要特点是上下弦杆均为正方形网架, 除星形四角锥之外, 下弦平面正方形网格的四个节点分别对应于上弦平面正方形网格的重心, 即下弦网格的节点与对应的上弦网格错开半个网格, 下弦网格节点与对应的四个弦网格节点分别由四根斜腹杆相连。( 2) 三角锥体系平板网架, 由一系列三角锥组合而成的平板网架称为三角锥体系平板网架, 在三角锥网架中, 其上、下弦杆在自身平面内均组成正三角形, 且下弦平面内所有正三角形的节点正好对着上弦平面的正三角形重心, 下弦平面的正三角形的每个节

6、点都由三根杆件与和该节点相邻的上弦平面正三角形的三个节点分别相连。将三角锥网架按一定规律抽去一些锥体的腹杆和下弦杆而形成的上弦网格仍为三角形, 下弦网格为三角形和六角形的网格即为抽空三角锥网架。以三角锥为为基础, 组合而成的上弦网格为三角形和六角形, 下弦网格为六角形的网架称为蜂窝形三角锥网架。平板网架结构由于具有空间受力、整体性及稳定性好、刚度大、抗震性能好、造型美观等特点, 越来越多地用于体育馆、俱乐部等公共建筑中。但网架结构采用钢结构, 而钢材价格较高, 因此, 科学、合理地设计网架, 节约材料, 降低造价, 具有较大的工程意义。国内外在此方面已作过不少的研究。其中针对不同情况选择平板网

7、架结构显得尤为重要：1.周边支承的网架结构选型矩形平面的网架, 若平面形状接近于方形, 跨度又较小时, 从多方案比较看, 斜放四角锥、蜂窝形三角锥或棋盘形四角锥网架的节点平均配杆数最少, 虽然需要增添杆件才能保证体系内部几何尺寸不变, 但是也可利用周边支承的约束条件, 借助圈梁的刚度, 故用钢量较省。网架跨度较大时, 相对挠度将起控制作用, 故宜选择刚度较大的交叉桁架体系或满锥形式的网架。多边形或圆形平面采用三向网架或三角锥体系网架比较适宜, 其内力分布均匀, 传力简捷, 而且网格比较好划分。当长宽比较大时, 网架的空间作用较差, 一般趋向于横向受力。长方形平面采用正交正放网架或抽空正放四角锥

8、比较适合,随着长宽比的增大其用钢量和挠度增长的梯度较小。2.周边支承和点支承相结合的网架结构选型这种支承条件下, 网架结构的受力特点具有周边支承和点支承网架两者的内力分布规律。正放四角锥网架的节点、杆件和屋面数量最少, 用钢量较省,屋面排水处理及天窗设置也比较方便, 但是屋面板较大。斜放四角锥网架采用混凝土板时, 用钢量较省, 屋面板较小, 但是, 节点、杆件和屋面板多, 加工和安装工作量增多, 刚度也较差, 所以需根据具体情况而定。3.多点支承网架结构选型多点支承网架往往利用悬挑长度平衡一部分弯矩, 以获得较好的经济效果。施工时常可利用支柱作为提升支架, 以节约安装费用, 这种形式适用于联合

9、厂房、大仓库和展览馆等建筑。通过柱顶的主桁架受力最大, 对于与其垂直的各桁架有一定的弹性约束作用, 故在与主桁架交接处出现反弯矩, 主桁架本身的反弯点更明显, 好似一根多支点的连续梁。从这一个受力特点看出, 两向正交正放四角锥网架传力线较简捷合理, 能有效地把屋面荷载传至支承系统, 是较适宜的结构形式。斜放四角锥网架刚度较差, 主要问题是在自由边, 为使结构稳定需要增设一圈竖向边桁架, 或在上弦平面补齐周边的网格。4.四点支承网架的选型四点支承网架包括支承在角点上和四点支承带悬挑的网架。四个角点支承网架作为标准单元时, 组合很方便, 可以组合成单跨、多跨和高低跨屋盖结构, 但其受力性能差。由于

10、周边支承受力很大, 宜设边桁架, 因而用钢量多, 在柱顶上同时搁置四个支座也难以处理。四点支承带悬挑网架的受力性较好, 用钢量也较省, 但是其组合没有前者灵活。斜放四角锥网架的上、下弦在柱帽区段处于短拉杆、长压杆的状态, 失去其优点, 尤其是柱帽附近下弦杆轴力很大, 对长压杆很不利。在相同高度情况下, 两向正交正放网架比两向正交斜放网架传力简捷明确, 通过桩顶的桁架真正起桁架作用, 缩短了与其相垂直的桁架的荷载传递路线, 使对角线方向成了次桁架, 荷载传递路线就长得多, 与周边支承时的受力特点完全不同。从节点构造上讲, 两向正交正放网架简单一些, 起拱或起排水坡度均比较方便, 因此, 四点支承

11、网架可选用两向正交正放网架或正放四角锥网架。5.三边支承一边自由的网架结构选型在工业厂房中, 有时由于考虑日后扩建的需要, 可能采用这种支承方式; 在伸缩缝处也是采用此类支承条件。此外在飞机装配车间或飞机库、船体总装车间以及大剧院的舞台口, 均可能出现这种支承情况。在这类支承条件下, 网架选型很重要的环节是大开口怎样处理。如果自由边有支承系统, 其选型和周边支承相似, 否则要做特殊处理。目前有以下几种方法可以采用。1) 加托梁, 在自由边加托梁以形成支承大梁。2) 加反梁, 在自由边局部区段增加网架的层数, 形成一根反梁, 这根反梁既是网架结构的一部分, 又起支承梁作用, 使反梁以内的网架基本

12、上相当于四边支承板受力状态。因而网架结构内力分布较为均匀, 挠度也可减少, 是一种较好的解决办法。但是,反梁的宽度和刚度如果设计不当, 将会增加网架的用钢量, 反梁给建筑处理也带来一些困难。3) 加边桁架。对于柱网不太大的网架结构, 在厂房的伸缩缝处也可加与网架结构等高的边桁架, 这主要是针对角锥体系网架, 这样处理增加了开口处的刚度, 却不增加网架的高度, 对于小跨度也是可行的。4) 悬挑适当长度。在使用功能允许、建筑处理方便的情况下, 可在开口边悬挑部分网架, 以平衡部分内力。5) 局部加大杆件截面。开口处的内力和挠度都较大, 为了解决这个问题, 但又要保证整个网架等高、构件长度标准化, 可采用局部加大杆件截面的办法。这样处理结构简单, 建筑上也很容易处理, 但是用钢量较多。网架的选型要从网架的受力、网架支