鋼結(jié)構(gòu)原理教案20

1、 閩南理工學(xué)院備課筆記 第20次課.2 空間網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（space frame）的一種。一般地，它是以大致相同的格子或尺寸較小的單元組成的。目前，我國(guó)空間結(jié)構(gòu)中以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展最快，應(yīng)用最廣。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是指平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，人們常常將平板型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱(chēng)為網(wǎng)架，將曲面型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱(chēng)為網(wǎng)殼。網(wǎng)架一般是雙層的，在某些情況下也可做成三層；而網(wǎng)殼有單層和雙層兩種。平板網(wǎng)架無(wú)論在設(shè)計(jì)、計(jì)算、構(gòu)造還是施工制作等方面均較為簡(jiǎn)便，因此是近乎“全能”地適用于大、中、小跨度屋蓋體系的一種良好的結(jié)構(gòu)形式。9.2.1 空間結(jié)構(gòu)的特性空間結(jié)構(gòu)是由一整塊連續(xù)空間體構(gòu)成的或者是由許多桿件

2、擴(kuò)展而成的，不論何種構(gòu)成方式，它們都是以整個(gè)結(jié)構(gòu)的形體來(lái)承受外來(lái)荷載?？臻g結(jié)構(gòu)里每一構(gòu)件均是整體結(jié)構(gòu)的一部分，按照空間的幾何特性分擔(dān)承受荷載任務(wù)，沒(méi)有平面結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)件之間那種主次關(guān)系?？臻g結(jié)構(gòu)不僅具有三度空間的結(jié)構(gòu)體形，而且在荷載作用下為三向受力，呈空間工作狀態(tài)并以面內(nèi)力或軸力為主。因其三維結(jié)構(gòu)體形和多向受力計(jì)算特征，空間結(jié)構(gòu)將平面結(jié)構(gòu)體系的受力桿件與支撐體系有機(jī)融合在一起，整體性好，能適應(yīng)各種非對(duì)稱(chēng)荷載、集中荷載和動(dòng)荷載。這一鮮明特征使得空間結(jié)構(gòu)的桿件截面遠(yuǎn)較平面結(jié)構(gòu)的小，大大減輕結(jié)構(gòu)自重?？臻g結(jié)構(gòu)一般是高次超靜定結(jié)構(gòu)，良好的內(nèi)力重分布能力使其具有額外的安全儲(chǔ)備，可靠程度較高。除了優(yōu)良的力

3、學(xué)性能以外，大多數(shù)空間結(jié)構(gòu)還具有良好的抗震性能?？臻g結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同跨度、不同支承條件的各種建筑要求。形狀上也能適應(yīng)方形、矩形、多邊形、圓形、扇形、三角形以及由此組合而成的各種形狀的建筑平面，同時(shí)，又有建筑造型輕巧、美觀、便于建筑處理和裝飾等特點(diǎn)。9.2.2 平板式空間網(wǎng)架的形式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式較多。按弦桿層數(shù)不同可分為雙層網(wǎng)架和三層網(wǎng)架；按支承情況分，有周邊支承、點(diǎn)支承、周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合，兩邊和三邊支承等；按網(wǎng)格單元的組成情況，可分為由兩向或三向平面桁架組成的交叉桁架體系、由三角錐體或四角錐體組成的空間桁架角錐體系等等。這里只介紹最常用的幾種。1按弦桿層數(shù)分類(lèi)（1）雙層網(wǎng)架雙層網(wǎng)架是由上弦

4、、下弦和腹桿組成的空間結(jié)構(gòu)，如圖9-14a所示，是最常用的網(wǎng)架形式。（2）三層網(wǎng)架三層網(wǎng)架是由上弦、中弦、下弦、上腹桿和下腹桿組成的空間結(jié)構(gòu)，如圖9-14b所示，其特點(diǎn)是增加網(wǎng)架高度，減小弦桿內(nèi)力，減小網(wǎng)格尺寸和腹桿長(zhǎng)度。當(dāng)網(wǎng)架跨度較大時(shí)，三層網(wǎng)架用鋼量比雙層網(wǎng)架用鋼量省。但由于節(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)量增多，尤其是中層節(jié)點(diǎn)所連桿件較多，使構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)有所提高。圖9-14雙層及三層網(wǎng)架2按支承情況分類(lèi)（1）周邊支承網(wǎng)架周邊支承網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-15）是指網(wǎng)架四周邊界上的全部節(jié)點(diǎn)均為支座。支座節(jié)點(diǎn)可支承在柱頂，也可支承在柱間桁架或連系梁上。由于這種網(wǎng)架的支承點(diǎn)多，故傳力直接、受力均勻，是采用較多的一種形式。當(dāng)

5、網(wǎng)架周邊支承于柱頂時(shí)，網(wǎng)格寬度可與柱距一致，如圖9-15a所示。為保證柱子的側(cè)向剛度，沿柱間側(cè)向應(yīng)設(shè)置邊桁架或剛性系桿。當(dāng)網(wǎng)架周邊支承于圈梁時(shí)，網(wǎng)格的劃分比較靈活，可不受柱距的約束，如圖9-15b所示。圖9-15 周邊支承網(wǎng)架（2）點(diǎn)支承網(wǎng)架點(diǎn)支承網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-16）的支座可支承在四個(gè)或多個(gè)支承柱上。前者稱(chēng)為四點(diǎn)支承網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-16a），后者稱(chēng)為多點(diǎn)支承網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-16b）。點(diǎn)支承網(wǎng)架主要適用于體育館、展覽廳等大跨度公共建筑中。圖9-16 點(diǎn)支承網(wǎng)架這種網(wǎng)架由于支承點(diǎn)較少，因此支點(diǎn)反力較大。為了使通過(guò)支點(diǎn)的主桁架及支點(diǎn)附近的桿件內(nèi)力不致過(guò)大，宜在支承點(diǎn)處設(shè)置柱帽以擴(kuò)散反力。通常將柱帽設(shè)置于

6、下弦平面之下（見(jiàn)圖9-17），或設(shè)置于上弦平面之上（見(jiàn)圖9-17b）。當(dāng)柱子直接支承上弦節(jié)點(diǎn)時(shí)，也可在網(wǎng)架內(nèi)設(shè)置傘形柱帽（見(jiàn)圖9-17c），這種柱帽承載力較低，適用于中小跨度網(wǎng)架。點(diǎn)支承網(wǎng)架周邊應(yīng)有適當(dāng)懸挑以減少網(wǎng)架跨中桿件的內(nèi)力及撓度。圖9-17 柱帽的形式（3）周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合的網(wǎng)架周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合的網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-18）是在周邊支承的基礎(chǔ)上，在建筑物內(nèi)部增設(shè)中間支承點(diǎn)。這樣可以有效地減少網(wǎng)架桿件的內(nèi)力峰值和撓度，達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。這種支承方式的網(wǎng)架適用于大柱網(wǎng)工業(yè)廠房、倉(cāng)庫(kù)和展覽廳等建筑。圖9-18 周邊支承與點(diǎn)支承相結(jié)合的網(wǎng)架（4）三邊支承或兩邊支承網(wǎng)架在矩形平面的建筑中，

7、由于考慮擴(kuò)建或因生產(chǎn)工藝及建筑功能的要求，在網(wǎng)架的一邊或兩邊不允許設(shè)置支承柱時(shí)，則需要將網(wǎng)架設(shè)計(jì)成三邊支承一邊自由或兩邊支承兩邊自由的形式，如圖9-19所示。自由邊界的存在對(duì)網(wǎng)架的內(nèi)力分布和變形都不利，故應(yīng)對(duì)自由邊界進(jìn)行適當(dāng)處理，以改善網(wǎng)架的受力狀態(tài)。一般的做法是在自由邊附近增加網(wǎng)架的層數(shù)（見(jiàn)圖9-20），或者在自由邊加設(shè)托梁、托架（見(jiàn)圖9-20b）。對(duì)中、小型網(wǎng)架也可選擇增加網(wǎng)架高度或局部加大桿件截面等方法給予改善和加強(qiáng)。圖9-19 三邊支承和兩邊支承網(wǎng)架圖9-20 自由邊的處理3按網(wǎng)格單元的組成分類(lèi)（1）平面桁架系網(wǎng)架此類(lèi)網(wǎng)架上下弦桿長(zhǎng)度相等，上下弦桿與腹桿位于同一垂直平面內(nèi)。一般情況下豎

8、桿受壓，斜桿受拉。斜腹桿與弦桿夾角宜在400600之間。桁架的節(jié)間長(zhǎng)度即為網(wǎng)格尺寸。這些平面桁架可沿兩個(gè)方向或三個(gè)方向布置，當(dāng)為兩向交叉時(shí)其交角可為900（正交）或任意角度（斜交）；當(dāng)為三向交叉時(shí)其交角為600。這些相互交叉的豎向平面桁架當(dāng)與邊界方向平行（或垂直）時(shí)稱(chēng)為正放，與邊界方向斜交時(shí)稱(chēng)為斜放。因此，隨著這些桁架之間交角的變化和邊界相對(duì)位置的不同，構(gòu)成了一些不同的各具特點(diǎn)的網(wǎng)架形式。兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交正放網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-21）的構(gòu)成特點(diǎn)是：兩個(gè)方向的豎向平面桁架垂直交叉，且分別與邊界方向平行，網(wǎng)格數(shù)宜布置成偶數(shù)，如為奇數(shù)，桁架中部節(jié)間應(yīng)做成交叉腹桿。由于上下弦桿組成的網(wǎng)格為矩形，且平

9、行于邊界，腹桿又在弦桿平面內(nèi)，屬幾何可變體系。為保證結(jié)構(gòu)的幾何不變性以及增加空間剛度，使網(wǎng)架能有效地傳遞水平荷載，應(yīng)適當(dāng)設(shè)置水平支撐。對(duì)周邊支承網(wǎng)架，水平支撐宜在上弦或下弦網(wǎng)格內(nèi)沿周邊設(shè)置；對(duì)點(diǎn)支承網(wǎng)架，水平支撐則應(yīng)在通過(guò)支承的主桁架附近的四周設(shè)置。兩向正交正放網(wǎng)架的受力性能類(lèi)似于兩向交叉梁。對(duì)于周邊支承者，平面尺寸越接近正方形，兩個(gè)方向桁架桿件內(nèi)力越接近，空間作用越顯著。隨著建筑平面邊長(zhǎng)比的增大，短向傳力作用明顯增大。圖9-21 兩向正交正放網(wǎng)架兩向正交斜放網(wǎng)架兩向正交斜放網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-22）的構(gòu)成特點(diǎn)是：兩個(gè)方向的豎向平面桁架垂直交叉，且與邊界成450夾角。兩向正交斜放網(wǎng)架中平面桁架與邊界

10、斜交，各片桁架長(zhǎng)短不一，而其高度又基本相同，因此，靠近角部的短桁架相對(duì)剛度較大，對(duì)與其垂直的長(zhǎng)桁架有一定的彈性支承作用，從而減小了長(zhǎng)桁架中部的正彎矩。所以在周邊支承情況下，它較兩向正交正放網(wǎng)架剛度大、用料省，對(duì)矩形平面其受力也比較均勻。當(dāng)長(zhǎng)桁架直通角柱時(shí)（見(jiàn)圖9-22），四個(gè)角支座會(huì)產(chǎn)生較大向上拉力，設(shè)計(jì)中應(yīng)予注意。如采用（圖9-22b）的布置方式，因角部拉力由兩個(gè)支座分擔(dān)則可避免過(guò)大的角支座拉力；在周邊支承情況下，若對(duì)支座節(jié)點(diǎn)沿邊界切線方向加以約束，則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在與支座連接的圈梁中因此產(chǎn)生的拉力。圖9-22 兩向正交斜放網(wǎng)架三向網(wǎng)架三向網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-23）的構(gòu)成特點(diǎn)是：三個(gè)方向的豎向平面桁

11、架互成600角斜向交叉，上下弦平面內(nèi)的網(wǎng)格均為幾何不變的三角形。網(wǎng)架空間剛度大，受力性能好，內(nèi)力分布也較均勻，但匯交于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的桿件最多可達(dá)13根。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較復(fù)雜，宜采用鋼管桿件及焊接空心球節(jié)點(diǎn)。三向網(wǎng)架適用于大跨度（l60m）的多邊形及圓形平面。圖9-23 三向網(wǎng)架（2）四角錐體系這類(lèi)網(wǎng)架以四角錐為其組成單元。網(wǎng)架上下弦平面均為方形網(wǎng)格，下弦節(jié)點(diǎn)均在上弦網(wǎng)格形心的投影線上，與上弦網(wǎng)格四個(gè)節(jié)點(diǎn)用斜腹桿相連。通過(guò)改變上下弦的位置、方向，并適當(dāng)?shù)爻槿ヒ恍┫覘U和腹桿，可得到各種形式的四角錐網(wǎng)架。正放四角錐網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-24）正放四角錐網(wǎng)架的構(gòu)成特點(diǎn)是：以倒四角錐體為組成單元，錐底的四邊為網(wǎng)架的上弦

12、桿，錐棱為腹桿，各錐頂相連即為下弦桿，它的上、下弦桿均與相應(yīng)邊界平行。正放四角錐網(wǎng)架的上、下弦節(jié)點(diǎn)均分別連接8根桿件。當(dāng)網(wǎng)格兩個(gè)方向尺寸相等且腹桿與下弦平面夾角為450時(shí)，網(wǎng)架的所有桿件（上、下弦桿和腹桿）等長(zhǎng)，便于制成統(tǒng)一的預(yù)制單元，制造、安裝都比較方便。正放四角錐網(wǎng)架的桿件受力比較均勻，空間剛度較好，但桿件數(shù)量較多，用鋼量偏大。適用于接近于方形的中小跨度網(wǎng)架，宜采用周邊支承。圖9-24 正放四角錐網(wǎng)架正放抽空四角錐網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-25）圖9-25 正放抽空四角錐網(wǎng)架正放抽空四角錐網(wǎng)架的構(gòu)成特點(diǎn)是：在正放四角錐網(wǎng)架的基礎(chǔ)上，除周邊網(wǎng)格不動(dòng)外，適當(dāng)抽掉一些四角錐單元中的腹桿和下弦桿，使下弦網(wǎng)格尺

13、寸比上弦網(wǎng)格尺寸大一倍。正放抽空四角錐網(wǎng)架的桿件數(shù)目較少，構(gòu)造簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效果好，起拱比較方便。不過(guò)抽空以后，下弦桿內(nèi)力的均勻性較差，剛度比未抽空的正放四角錐網(wǎng)架弱一些。在抽空部位可設(shè)置采光或通風(fēng)天窗。由于周邊網(wǎng)格不宜抽取，兩個(gè)方向網(wǎng)格數(shù)宜取奇數(shù)。圖9-25 正放抽空四角錐網(wǎng)架斜放四角錐網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-26）斜放四角錐網(wǎng)架的構(gòu)成特點(diǎn)是：以倒四角錐體為組成單元，由錐底構(gòu)成的上弦桿與邊界成450夾角，而連接各錐頂?shù)南孪覘U則與相應(yīng)邊界平行。這樣，它的上弦網(wǎng)格呈正交斜放，下弦網(wǎng)格呈正交正放。網(wǎng)架上弦桿短，下弦桿長(zhǎng)，受力合理。下弦節(jié)點(diǎn)連接8根桿，上弦節(jié)點(diǎn)只連接6根桿。適用于中小跨度周邊支承，或周邊支承與點(diǎn)支

14、承相結(jié)合的矩形平面。周邊支承的斜放四角錐網(wǎng)架，在支承沿周邊切向無(wú)約束時(shí)，四角錐體可能繞Z軸旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖9-27）而造成網(wǎng)架的幾何可變，因此必須在網(wǎng)架周邊布置剛性邊梁；點(diǎn)支承的斜放四角錐網(wǎng)架，可在周邊設(shè)置封閉的邊桁架以保持網(wǎng)架的幾何不變。 圖9-26 斜放四角錐網(wǎng)架 圖9-27 棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架（圖9-28）在正放四角錐網(wǎng)架基礎(chǔ)上，保持周邊四角錐不變，中間四角錐間隔抽空。上弦桿為正交正放，下弦桿與邊界成450角，為正交斜放。這種網(wǎng)架上弦短桿受壓，下弦長(zhǎng)桿受拉，節(jié)點(diǎn)匯交桿件少。適用于小跨度周邊支承情況。圖9-28 棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架星形四角錐網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-29）星形四角錐網(wǎng)架的組成單元形似一星體，如圖

15、9-29b所示。將四角錐底面的四根桿用位于對(duì)角線上的十字交叉桿代替，并在中心加設(shè)豎桿，即組成星形四角錐。十字交叉桿與邊界成450角，構(gòu)成網(wǎng)架上弦，呈正交斜放。下弦桿呈正交正放。腹桿與上弦桿在同一豎向平面內(nèi)。星形網(wǎng)架上弦桿比下弦桿短，受力合理。豎桿受壓，內(nèi)力等于節(jié)點(diǎn)荷載。當(dāng)網(wǎng)架高度等于上弦桿長(zhǎng)度時(shí)，上弦桿與豎桿等長(zhǎng)，斜腹桿與下弦桿等長(zhǎng)。星形網(wǎng)架一般用于中小跨度周邊支承情況。圖9-29 星形四角錐網(wǎng)架（3）三角錐體系三角錐體系網(wǎng)架的基本單元是錐底為正三角形的倒置三角錐，如圖9-30a所示。錐底三條邊為網(wǎng)架上弦桿，棱邊為網(wǎng)架的腹桿，連接錐頂?shù)臈U件為網(wǎng)架下弦桿。三角錐網(wǎng)架主要有三種形式。三角錐網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-30）三角錐網(wǎng)架上下弦平面均為正三角形網(wǎng)格，上下弦節(jié)點(diǎn)各連9根桿件。當(dāng)網(wǎng)架高度為網(wǎng)格尺寸的倍時(shí)，上下弦桿和腹桿等長(zhǎng)。三角錐網(wǎng)架受力均勻，整體性和抗扭剛度好，適用于平面為多邊形的大中跨度建筑。圖9-30 三角錐網(wǎng)架抽空三角錐網(wǎng)架（見(jiàn)圖9-31）保持三角錐網(wǎng)架的上弦網(wǎng)格不變，按一定規(guī)律抽去部分腹桿和下弦桿，可得到抽空三角錐網(wǎng)架。圖9-31所示的抽桿方法是沿網(wǎng)架周邊一圈的網(wǎng)格