空间网架结构设计

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1、空空间间网网架架结结构构设设计计高福聚石油大学建筑工程系二○○四年六月第四章网架结构设计4.1网架结构的形式及种类4.1.1网架结构的基本单元及几何不变性1．基本单元网架结构可以看作是平面桁架的横向拓展、也可以看作是平板的格构化。网架结构的起源，据说是仿照金刚钻石原子晶格的空间点阵排布，因而是一种仿生的空间结构，具有很高强度和很大的跨越能力。网架结构是由许多规则的几何体组合而成，这些几何体就是网架结构的基本单元。常用的有：三角锥、四角锥、三棱体、正方棱柱体，此外还有：六角锥、八面体、十面体等（图4－1）。图4-1网架结构的基本单元1网架在任何外力

2、作用下都必须是几何不变体系。因此，应该对网架进行机动分析。2．网架几何不变的必要条件网架是一个铰接的空间结构，其任意一个节点有三个自由度。对于一个具有J个节点，m个杆件的网架，支撑于具有r根约束链杆的支座上时，其几何不变的必要条件是：mr+−3J≥0或m≥3J−r（4－1）如果将网架作为刚体考虑，则最少的支座约束链杆数为6，故r≥6。由此可知，当m≥3J−r时，为超静定结构的必要条件；当m＝3J−r时，为静定结构的必要条件；当m≤3J−r时，为几何可变体系。3．网架几何不变的充分条件分析网架结构几何不变的充分条件时，应先对组成网架的基本单元进行分

3、析，进而对网架的整体作出评价。三角形是几何不变的。如果网架基本单元的外表面是由三角形所组成，则此基本单元也将是几何不变的。在对组成网架的基本单元进行分析时，一般有以下两种类型和两种分析方法。1）两种类型：自约结构体系自身就为几何不变体系；它约结构体系需要加设支承链杆，才能成为几何不变体系。2）两种分析方法：①以一个几何不变的单元为基础，通过三根不共面的杆件交出一个新节点所构成的网架也为几何不变；如此延伸。②列出考虑了边界约束条件的结构总刚度矩阵[K],如果K≠0，[K]为非奇异矩阵，网架位移和杆力有唯一解，网架为几何不变体系；如果K＝0，[K]为

4、奇异矩阵，网架位移和杆力没有唯一解，网架为几何可变体系。4.1.2网架结构的形式在对网架结构分类时，采取不同的分类方法，可以划分出不同类型的网架结构型式。一般地，1．按结构组成分1）双层网架具有上下两层弦杆，是最常用的网架结构形式。2）三层网架具有上中下三层弦杆，强度和刚度都比双层网架提高很大。在实际应用时，如果跨度l＞50m，酌情考虑；当跨度l＞80m时，应2当优先考虑。3）组合网架根据不同材料各自的物理力学性质，使用不同的材料组成网架的基本单元，继而形成网架结构。一般是利用钢筋混凝土板良好的受压性能替代上弦杆。这种网架结构型式的刚度大，适宜于

5、建造活动荷载较大的大跨度楼层结构。2．按支承情况分类1）周边支承网架周边支承网架是目前采用较多的一种形式，所有边界节点都搁置在柱或梁上，传力直接，网架受力均匀（如图4－2）。当网架周边支承于柱顶时，网格宽度可与柱距一致；当网架支承于圈梁时，网格的划分比较灵活，可不受柱距影响。2）点支承网架一般有四点支承和多点支承两种情形，由于支承点处集中受力较大，宜在周边设置悬挑，以减小网架跨中杆件的内力和挠度（如图4－3）。图4－2周边支承网架图4－3点支承网架3）周边与点相结合支承的网架在点支承网架中，当周边没有围护结构和抗风柱时，可采用点支承与周边支承相结

6、合的形式。这种支承方法适用于工业厂房和展览厅等公共建筑（如图4－4）。图4－4周边与点相结合支承图4－5三边支承一边开口或两边支承两边开口4）三边支承一边开口或两边支承两边开口的网架在矩形平面的建筑中，由于考虑扩建的可能性或由于建筑功能的要求，需要在一边或两对边上开口，因而使网架仅在三边或两对边上支承，另一边或两对边为自由边（如图4－5）。自由边的存在对网架的受力是不利的，3为此应对自由边作出特殊处理。一级可在自由边附近增加网架层数或在自由边加设托梁或托架。对中、小型网架，亦可采用增加网架高度或局部加大杆件截面的办法予以加强。5）悬挑网架为满足一

7、些特殊的需要，有时候网架结构的支承形式为一边支承、三边自由。为使玩网架结构的受力合理，也必须在另一方向设置悬挑，以平衡下部支承结构的受力，使之趋于合理，比如体育场看台罩棚（图4－6）。图4－6体育场看台罩棚3．按照跨度分类网架结构按照跨度分类时，我们把跨度L≤30m的网架称之为小跨度网架；跨度30m60m为大跨度网架。此外，随着网架跨度的不断增大，出现了特大跨度和超大跨度的说法，但目前还没有严格的定义。一般地，当L>90m或120m时称为特大跨度；当L>150m或180m时为超度跨度。4．按网格形式分类这是网架

8、结构分类中最普遍采用的一种分类方式，根据《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91的规定，我们目前经常采用的网架结构分为四个体系十三种网架