网架结构工程设计

  这类网架的基本单元是一倒置的三角锥体。锥底的正三角形的三边为网架的上弦杆，其棱为网架的腹杆。随着三角锥单元体布置的不同，上下弦网格可为正三角形或六边形，从而构成不同的三角锥网架。

  上海体育馆练习馆（35×35m，周边支承）和北京某机库（48×54m，三边支承，开口）采用了这种网架结构型式。

  这种网架的单元体形似星体，星体单元由两个倒置的三角形小桁架相互交叉而成（图1－15）。两个小桁架底边构成网架上弦，它们与边界成45º角。在两个小桁架交汇处设有竖杆，各单元顶点相连即为下弦杆。因此，它的上弦为正交斜放，下弦为正交正放，斜腹杆与上弦杆在同一竖直平面内。上弦杆比下弦杆短，受力合理。但在角部的上弦杆可能受拉。该处支座也许会出现拉力。网架的受力情况接近交叉梁系，刚度稍差于正放四角锥网架。

  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做多元化的分析，进而对网架的整体作出评价。

  网架是一种新型结构，不仅仅具备跨度大、覆盖面积大、结构轻、省料经济等特点，同时，还有良好的稳定性和安全性。因而网架结构一出现就引起人们极大的兴趣，尤其是大型的文化体育中心多数采用网架结构，国内如长春体育馆、上海体育馆、上海游泳馆和辽宁体育馆，都别具风采。网架结构建筑结构新颖，造型雄伟壮观，场内没有一根柱子，视野开阔。

  石家庄铁路枢纽南站货棚（132×132m，柱网24×24m，多点支承）和唐山齿轮厂联合厂房（84×156.9m，柱网12×12m，周边支承与多点支承相结合）是采用这种网架型式较早的典型实例。

  斜放四角锥网架的上弦杆与边界成45º角，下弦正放，腹杆与下弦在同一垂直平面内（图1－14）。上弦杆长度约为下弦杆长度的0.707倍。在周边支承情况下，一般为上弦受压，下弦受拉。节点处汇交的杆件较少（上弦节点6根，下弦节点8根），用钢量较省。但因上弦网格斜放，屋面板种类较多，屋面排水坡的形成也较困难。

  ②列出考虑了边界约束条件的结构总刚度矩阵[K],如果亦舒K≠0,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。

  在对网架结构分类时，采取不同的分类方法，可以划分出不一样的网架结构型式。一般地，

  三向网架由三组互成60º交角的平面桁架相交而成（图1－11）。这类网架受力均匀，空间刚度大。但也存在一定的不足，即在构造上汇交于一个节点的杆件数量多，最多可达13根，节点构造很复杂，宜采用圆钢管杆件及球节点。

  三向网架适用于大跨度（L60m），而且建筑平面为三角形、六边形、多边形和圆形等平面形状比较规则的情况

  这个体系的网架结构是由一些相互交叉的平面桁架组成，一般应使斜腹杆受拉，竖杆受压，斜腹杆与弦杆之间夹角宜在40～60º之间。该体系的网架有以下四种：

  两向正交正放网架是由两组平面桁架互成90º交叉而成，弦杆与边界平行或垂直。上、下弦网格尺寸相同，同一方向的各平面桁架长度一致，制作、安装较为简便（图1－8）。由于上、下弦为方形网格，属于几何可变体系，应适当设置上下弦水平支撑，以保证结构的几何不变性，有效地传递水平荷载。

  正放四角锥网架适用于建筑平面接近正方形的周边支承情况，也适用于屋面荷载较大、大柱距点支承及设有悬挂吊车的工业生产厂房情况。

  较为典型的工程实例如上海静安区体育馆（40×40m）和杭州歌剧院（31.5×36m）。

  正放抽空四角锥网架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，使下弦网格尺寸扩大一倍（图1－13）。其杆件数目较少，降低了用钢量，抽空部分可作采光天窗，下弦内力较正放四角锥约放大一倍，内力均匀性、刚度会降低，但仍能满足工程要求。

  杭州起重机械厂食堂（28×36m）和中国计量学院风雨操场（27×36m）采用了这种网架结构型式。

  棋盘形四角锥网架是在斜放四角锥网架的基础上，将整个网架水平旋转45º角，并加设平行于边界的周边下弦（图1－16）；也具有短压杆、长拉杆的特点，受力合理；由于周边满锥，它的空间作用得到保证，受力均匀。棋盘形四角锥网架的杆件较少，屋面板规格单一，用钢指标良好。适用于小跨度周边支承的网架。

  在点支承网架中，当周边没有维护结构和抗风柱时，可采用点支承与周边支承相结合的形式。这种支承方法适用于工业生产厂房和展览厅等公共建筑（如图1－4）。

  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做多元化的分析时，一般有以下两种类型和两种分析方法。

  两向正交斜放网架适用于建筑平面为正方形或长方形情况。首都体育馆（99×112.2m）和山东体育馆（62.7×74.1m）采用了这种网架结构型式。

  两向斜交斜放网架由两组平面桁架斜向相交而成，弦杆与边界成一斜角（图1－10）。

  这类网架在网格布置、构造、计算分析和制作安装上都很复杂，而且受力性能也比较差，除了特殊情况外，一般不宜使用。

  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L90m或120m时称为特大跨度；当L150m或180m时为超大跨度。

  这是网架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，我们目前常常采取的网架结构分为四个体系十三种网架结构型式。

  三角锥网架上下弦平面均为三角形网格，下弦三角形网格的顶点对着上弦三角形网格的形心（图1－17）。三角锥网架受力均匀，整体抗扭、抗弯刚度好；节点构造复杂，上下弦节点交汇杆件数均为9根。适用于建筑平面为三角形、六边形和圆形的情况。

  上海徐汇区工人俱乐部剧场（六边形，外接圆直径24m）采用了这种网架结构型式。

  两向正交正放网架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。上海黄浦区体育馆（45×45m）和保定体育馆（55.34×68.42m）采用了这种网架结构型式。

  两向正交斜放网架由两组平面桁架互成90º交叉而成，弦杆与边界成45º角。边界可靠时，为几何不变体系（图1－9）。各榀桁架长度不同，靠角部的短桁架刚度较大对与其垂直的长桁架有弹性支撑作用，可以使长桁架中部的正弯矩减小，因而比正交正放网架经济。不过由于长桁架两端有负弯矩，四角支座将产生较大拉力。角部拉力应由两个支座负担。

  在矩形平面的建筑中，由于考虑扩建的可能性或由于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1－5）。自由边的存在对网架的受力是不利的，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。

  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，应当优先考虑。

  3）组合网架根据不一样的材料各自的物理力学性质，使用不相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，适宜于建造活动荷载较大的大跨度楼层结构。

  网架结构的形式较多，如双向正交斜放网架、三向网架和蜂窝形四角锥网架等。网架的选型可视工程平面形状和尺寸、支撑情况、跨度、荷载大小、制作和安装情况等因素，综合做多元化的分析确定。

  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，除此以外还有：六角锥、八面体、十面体等（图1-1）

  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：

  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1－2）。

  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。

  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1－3）。

  上海体育馆（D=110m圆形）和江苏体育馆（76.8×88.681m八边形）较早地采用了这种网架结构型式。

  四角锥体系网架的上、下弦均呈正方形（或接近正方形的矩形）网格，相互错开半格，使下弦网格的角点对准上弦网格的形心，再在上下弦节点间用腹杆连接起来，即形成四角锥体系网架。四角锥体系网架有五种形式，分列如下：

  正放四角锥网架由倒置的四角锥体组成，锥底的四边为网架的上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆。它的弦杆均与边界正交，故称为正放四角锥网架（图1－12）。

  这类网架杆件受力均匀，空间刚度比其它类的四角锥网架及两向网架好。屋面板规格单一，便于起拱，屋面排水也较容易处理。但杆件数量较多，用钢量略高。

  当平面长宽比为1～2.25之间时，长跨跨中下弦内力大于短跨跨中的下弦内力；当平面长宽比大于2.5之间时，长跨跨中下弦内力小于短跨跨中的下弦内力。当平面长宽比为1～1.5之间时，上弦杆的最大内力不在跨中，而是在网架1/4平面的中部。这些内力分布规律不同于普通简支平板的规律。

  斜放四角锥网架当采用周边支承、且周边无刚性联系时，会出现四角锥体绕z轴旋转的不稳定情况。因此，必须在网架周边布置刚性边梁。当为点支承时，可在周边布置封闭的边桁架。适用于中、小跨度周边支承，或周边支承与点支承相结合的方形或矩形平面情况。

  为满足一些特殊的需要，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1－6）。

  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30mL≤60m时为中跨度网架；跨度L60m为大跨度网架。