网架、网壳结构

10.1网架的形式由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的平板空间结构。具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点；网架结构广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。1.网架按弦杆层的形式按弦杆层数不同可分为双层网架和三层网架(a)(b)图3—1双层及三层网架上弦腹杆下弦下弦中弦上腹杆下腹杆2.双层网架的常用形式（1）平面桁架系网架两向正交正放网架两向正交斜放、斜交斜放网架三向网架特点：由平面桁架相互交叉所组成，其上、下弦杆长度相等，杆件类型少，且上、下弦杆和腹杆在同一平面内。一般应使斜腹杆受拉，竖杆受压。斜腹杆与弦杆间的夹角宜在40°～60°之间。两向正交正放网架由两组分别与边界平行的平面桁架互成90°交叉组成。同一方向的各平面桁架长度一致。网架本身属几何可变体系。适用于建筑平面为正方形或接近正方形且跨度较小的情况。两个方向的杆件内力差别不大，受力较均匀。两向正交斜放网架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。比正交正放网架空间刚度大，受力均匀，用钢省。适用于建筑平面为矩形的情况。三向网架特点：几何不变体系，网架空间刚度大，受力性能好，内力分布也较均匀。杆件数量多，节点构造比较复杂。三向网架适用于大跨度且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形的情况。（2）四角锥体系网架正放四角锥网架正放抽空四角锥网架棋盘形四角锥网架斜放四角锥网架星形四角锥网架正放四角锥网架正放抽空四角锥网架杆件受力较均匀，空间刚度比其它类型的四角锥网架及两向网架好。适用于建筑平面接近正方形的周边支承及点支承情况。周边网格锥体不动外，跳格地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。适用于中、小跨度或屋面荷载较轻的周边支承、点支承以及周边支承与点支承结合的网架。棋盘形四角锥网架正放四角锥网架周边四角锥不变，中间四角锥间隔抽空，下弦杆呈正交斜放，上弦杆呈正交正放。上弦杆比下弦杆短，受力合理。克服了斜放四角锥网架屋面板类型多，屋面组织排水较困难的缺点。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。斜放四角锥网架上弦杆比下弦杆短，受力合理。杆件数量少，屋面板类型多，屋面组织排水较困难。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情况。星形四角锥网架由两个倒置的三角形小桁架相互正交单元组成。适用于中、小跨度周边支承方形或接近方形平面的网架。（3）三角锥体系网架三角锥网架抽空三角锥网架蜂窝形三角锥网架三角锥网架上、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。抽空三角锥网架抽去部分三角锥单元的腹杆和下弦杆。下弦杆内力较大，用钢量省，但空间刚度较三角锥网架小。适用于中、小跨度的三角形、六边形和圆形等平面的建筑。蜂窝形三角锥网架上弦为正三角形和正六边形网格，下弦为正六边形网格。本身几何可变。其上弦杆短，下弦杆长，受力合理。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。10.2网架选型根据建筑平面形状和跨度大小，支承方式、荷载大小、屋面构造和材料、制作安装方法等因素。《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91大跨度为60m以上中跨度为30～60m小跨度为30m以下1网架结构的支承及其选型支承方式:周边支承点支承周边支承与点支承相结合两边和三边支承等。周边支承图3—18点支承l/4lll/3ll/3l/4ll/3ll/3点支承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。周边支承与点支承结合各种柱帽形式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。常用网架选型表支承方式平面形状跨度网架形式≤60m斜放四角锥网架、两向正交正放网架、两向正交斜放网架、正放四角锥网架、棋盘形四角锥网架、正放抽空四角锥网架、蜂窝形三角锥网架、星形四角锥网架L1/L2≤1.5＞60m两向正交正放网架、两向正交斜放网架、正放四角锥网架、斜放四角锥网架1.5＜L1/L2≤2两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、斜放四角锥网架矩形L1/L2＞2两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、单向折线形网架≤60m三向网架、三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂窝形三角锥网架周边支承圆形、多边形＞60m三向网架、三角锥网架三边支承参照上述周边支承矩形平面网架进行选型，但其开口边可采取增加网架层数或适当增加整个网架高度等办法，网架开口边必须形成竖直的或倾斜的边桁架四点支承及多点支承正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架周边支承与点支承结合矩形正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架、两向正交斜放网架或斜放四角锥网架注：1．当网架跨度L1、L2两个方向的支承距离不等时，可选用两向斜交斜放网架。2．L1为网架长向跨度；L2为网架短向跨度。2网架高度及网格尺寸网架的高度与屋面荷载、跨度、平面形状、支承条件、设备管道等因素有关。3网架的挠度要求及屋面排水坡度容许挠度：用作屋盖—L2/250，用作楼盖—L2/300排水坡度：3%～5%起拱要求：L2/300（a）用小立柱（b）起拱网架屋面找坡找坡立柱10.3网壳结构•网壳，即为网状壳体，是格构化的壳体，或者说是曲面状的网架结构。•20世纪50~60年代，钢筋混凝土壳体得到了较大的发展；但钢筋混凝土壳体结构很大一部分材料是用来承受自重的，只有较少部分的材料用来承担外荷载，并且施工很费事。•焊接技术日趋完善，高强钢材不断出现，电算技术突飞猛进，给网壳准备了物质基础；•网壳结构具有其非凡的优越性，近30年来，以钢结构为代表的网壳结构得到了很大的发展。•网壳结构多用于大跨度，目前已经发展成为大跨结构中应用普遍的结构形式之一。•网壳结构的优点–1.网壳结构的构件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因而可以充分发挥材料强度作用。–2.由于它可以来用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构都能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。•网壳结构的优点–3.由于杆件尺寸与整个网壳结构的尺寸相比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性的连续体，利用钢筋混凝土薄壳结构的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，即以折面代替曲面，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。–5便于工厂制造和现场安装，在构造上和施工方法上具有与平板网架结构一样的优越性。网壳结构的分类•按杆件的布置方式–单层网壳和双层网壳两种–一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时，可采用单层网壳，跨度大时，则采用双层网壳。•单层网壳–杆件少、重量轻、节点简单、施工方便，因而具有更好的技术经济指标。但单层网壳曲面外刚度差，稳定性差。•双层网壳–可以承受一定的弯矩，具有较高的稳定性和承载力。当屋顶上需要安装照明、音响、空调等各种设备及管道时，选用双层网壳能有效地利用空间，方便天花板或吊顶构造，经济合理。–双层网壳根据厚度的不同，有等厚度与变厚度之分网壳结构的分类•按材料–木网壳、钢筋混凝土网壳、钢网壳、铝合金网壳、塑料网壳、玻璃钢网壳等。•木网壳结构–仅在早期的少数建筑中采用，近年来，在一些木材丰富的国家也有采用胶合木建造网壳的，有的跨度已超过100m。但总的来说，木结构网壳用得并不多。•钢筋混凝土网壳结构–单层常用，且常采用预制钢筋混凝土杆件装配整体式结构。–自重大、节点构造复杂，一般用于跨度60m以下。网壳结构的分类•钢网壳结构–在我国应用最多，可以是单层，也可以是双层；–钢材可采用钢管、工字钢、角钢、薄壁型钢等，–重量轻、强度高、构造简单、施工方便等优点。•铝合金网壳结构–重量轻、强度高、耐腐蚀、易加工、制造和安装方便，在欧美大量应用于大跨度建筑，–杆件可为圆形、椭圆形、方形或矩形截面的管材。–我国铝材规格和产量较少，价格较高，尚未用于网壳结构。•塑料网壳和玻璃钢网壳结构–目前较少采用。网壳结构的分类•按曲面形式–单曲面和双曲面•单曲面网壳–筒网壳或称为柱面壳，•双曲面网壳–常用球网壳和扭网壳–其他曲面的扁网壳及各种曲面经切割组合后的网壳。10.3.1筒网壳结构•柱面网壳，单曲面结构–横截面形式圆弧形、椭圆弧形、双心圆弧形•覆盖的平面为矩形–横向短边为端边(l2)，纵向长边为侧边(l1)–其整体传递外荷的方式与筒壳类似，–按网肋构成与传荷方式的不同，分为两类•拱式受压的筒网壳（类似短筒壳）；•梁（桁架）式受弯的筒网壳（类似长筒壳）。拱式筒网壳•受力特征–以受压为主的平面拱，为单向平衡并传递外荷的平面结构。–既然梁可以构成双向的井字梁，同样拱也可以实现空间多向抗衡并传递外荷的空间结构——多向拱，多向拱具有良好的空间刚度，能抵抗纵向侧力，无需支撑。梁式筒网壳•受力特征——格构化板壳–板壳的受力状态与长筒壳一样，其接缝上的竖载是由相邻折板以板平面内的横向力来抗衡。若每块平面折板代之以一榀平面桁架（称平桁架），且相邻两桁架的上、下弦杆合二为一，这就成了梁桁架（或称桁架式）筒网壳，即梁式筒网壳，矢高2)8/1~4/1(lf梁式筒网壳10.3.2单层筒网壳•形式与特点–以网格的形式及其排列方式分类•联方网格型筒网壳•弗普尔型筒网壳•单斜杆型筒网壳•双斜杆型筒网壳•三向网格型筒网壳7.2.1单层筒网壳•联方网格型筒网壳–受力明确•屋面荷载从两个斜向拱的方向传至基础；–室内呈菱形网格，美观大方–稳定性较差；–每个节点连接的杆件数少，故常采用钢筋混凝土结构；–施工安装方法均为预制杆件高空拼装并现浇节点混凝土。7.2.1单层筒网壳•弗普尔型、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。弗普尔型单斜杆型10.3.2单层筒网壳•双斜杆型筒网壳、三向网格型筒网壳–刚度和稳定性相对较好，构件比较单一；–设计、施工都比较简单；–适用于跨度较大和不对称荷载较大的屋盖。双斜杆型三向网格型10.3.3双层筒网壳•按几何组成规律分类–平面桁架体系双层筒网壳•由两个或二个方向的平面桁架交叉构成。正交正放型两向斜交斜放型三向桁架型10.3.3双层筒网壳•按几何组成规律分类–四角锥体系双层筒网壳•由四角锥按一定规律连接而成。折线形正放四角锥正放抽空四角锥斜放四角锥星形四角锥棋盘形四角锥10.3.3双层筒网壳•按几何组成规律分类–三角锥体系双层筒网壳•由三角锥单元按一定规律连接而成。三角锥抽空三角锥蜂窝形三角锥10.3.3双层筒网壳•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。力的传递与上、下弦杆的走向有直接关系。–根据双层筒网壳的几何外形及其支承条件，网壳结构的作用可看成为波长方向拱的作用与跨度方向梁的作用的组合，其内力分布规律及变形与两铰拱相似。–习惯上按上、下弦杆的布置方向分成三类：•正交类双层筒网壳•斜交类双层筒网壳•混合类双层筒网壳10.3.3双层筒网壳•按弦杆布置方向分类–正交类双层筒网壳•上、下弦杆与网壳的波长方向正交或平行•两向正交正放、折线形、正放四角锥、正放抽空四角锥–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，网壳中内力分市比较均匀，传力路线短。10.3.3双层筒网壳•按弦杆布置方向分类–斜交类双层筒网壳•上、下弦杆与