第六章-6.1网格~6.2-网壳

第六章—大跨屋盖结构1网架结构2网壳结构3拱结构4悬索结构5薄壁空间结构主要内容1.1概述网格结构是桁架结构立体化后的一种结构形式。它是由许多杆件按照一定规律组成的网状结构，是高次超静定的空间结构。空间网格结构根据外形可以分为平板型(网架)和曲面型(网壳)两类。网架一般是双层的，有上下弦之分；而网壳有单层、双层两种形式；另外，网壳的又可分为单曲和双曲两种形状。第一节网架结构1.1概述平板网壳（双层）网壳（单曲）网壳（双曲）(1)网格结构的特点整体性强，稳定性好，空间刚度大，抗震性能好，可建造大跨度的结构；在节点荷载作用下，网格结构的杆件主要承受轴向压力和拉力，能够充分发挥材料强度；杆件类型规格统一，工业化程度高；建筑造型灵活。1.1概述(2)网格结构的构件与连接杆件多采用钢管或角钢制作；节点多为空心球节点或螺栓节点的形式；连接方法：焊接、螺栓连接；1.1概述1.2网架结构的形式1网架结构的特点网格结构优点：空间刚度大，具有良好的抗震性能；充分利用材料强度；杆件类型规格统一，工业化程度高；平面布置灵活，可适应各种建筑平面。此外：网架高度小、可减少建筑高度、节约能源；网架是非曲面无推力空间结构，与支撑结构的连接构造比较简单；第一节网架结构2网架结构的构成方式1.2网架结构的形式网架交叉桁架体系角锥体系两向交叉（90度或其他角度）三向交叉（一般为60度）三角锥体系四角锥体系3交叉桁架体系网架交叉桁架体系网架结构是由许多上下弦平行的平面桁架相互交叉连接形成的网状结构。其上弦杆一般受压，下弦杆一般受拉。交叉桁架体系网架的主要结构类型有：两向正交正放网架；两向正交斜放网架；两向斜交斜放网架；三向交叉网架；1.2网架结构的形式(1)两向正交正放网架两向正交正放网架是由两个方向相互交叉成90度角的桁架组成，而且两个方向的桁架与其相应的建筑平面边线平行。1.2网架结构的形式(1)两向正交正放网架两向正交正放网架一般适用于中等跨度且两个方向的桁架跨度相等或或接近正方形的矩形建筑平面。相对于周边支撑的情况，两向正交正放网架更适合四点支承的方式。采用四点支承时，四周向外挑出可使其受力更为合理。这种形式的网架从平面图形上看是几何可变的，所以必须合理地设置水平支撑。1.2网架结构的形式(2)两向正交斜放网架由两个方向相互交角为90度的桁架组成，但桁架与建筑平面边线的交角则为45度。1.2网架结构的形式(2)两向正交斜放网架1.2网架结构的形式ABCD(2)两向正交斜放网架1.2网架结构的形式北京国际俱乐部网球馆首体1.2网架结构的形式两向正交斜放网架不仅适用于正方形建筑平面，而且也适用于不同比例的矩形建筑平面，避免了正交正放网架当建筑平面为狭长矩形时接近单向受力的缺点。(2)两向正交斜放网架在周边支承的情况下，与两向正交正放网架相比，空间刚度大，节省用钢量。在大跨度时非常明显。1.2网架结构的形式(3)两向斜交斜放网架由两个方向相互交角为非90度的桁架组成，桁架与建筑平面边线的交角既非90度，也非45度。两向斜交斜放网架在平面两个边上的交点间距是不一样的，因此更适合在建筑相邻两个立面的柱距不相等的情况。1.2网架结构的形式(4)三向交叉网架由三个方向的平面桁架互为60度夹角组成的空间网架。1.2网架结构的形式4角锥体系网架角锥体系网架比相同条件下的交叉桁架体系网架刚度大，受力性能好。可预先做成标准椎体单元，安装、运输、存放都很方便。1.2网架结构的形式(1)四角锥体系网架其上弦和下弦平面均为方形网格，上下弦错开半格放置，用斜腹杆连接上下弦网格交点，形成一个个相连的四角锥。由于四角锥上弦不易设置再分杆，因此网格尺寸受到限制，总体尺寸不宜太大，适用于中小跨度的建筑。1.2网架结构的形式(一)正放四角锥网架杭州歌剧院网架1.2网架结构的形式锥尖向下(一)正放四角锥网架1.2网架结构的形式锥尖向上(一)正放四角锥网架特点正放四角锥网架各杆的内力比较均匀。在点支撑的情况下，除支座附近的杆件内力较大外，其他杆件的内力分布比较均匀。上下弦杆等长且无竖杆，构造比较简单。屋面板规格较统一。1.2网架结构的形式(一)正放四角锥网架适用范围适用于平面接近正方形的中、小跨度周边支承的建筑，也适用于大柱网的点支承、有悬挂吊车的工业厂房和屋面荷载较大的建筑。1.2网架结构的形式(二)正放跳格四角锥网架1.2网架结构的形式(三)斜放四角锥网架1.2网架结构的形式(2)三角锥网架1.2网架结构的形式1.3网架的设计要求网架的形式、高度、网格尺寸、腹杆布置等，与建筑平面形状、结构支承条件、跨度大小、荷载大小以及施工条件等因素密切相关。第一节网架结构1网架高度网架的高度主要影响网架的刚度和弦杆的应力。增加网架高度可以提高网架的刚度，减小弦杆的应力，但会使腹杆长度增加，整个建筑物的高度增加。网架的高度主要取决于网架平面短向的跨度。网架的高度与短向跨度之比一般为：跨度小于30m：1/13~1/10跨度在30~60m之间：1/15~1/12跨度大于60m：1/18~1/141.3网架的设计要求2网格尺寸网格尺寸主要指网架的上弦网格尺寸，它应与网架高度配合确定，以获得腹杆合理的倾角。网格尺寸应大些以简化构造，节约材料，但不宜过大，一般不超过3m3m，否则构件自重过大，吊装困难。网格尺寸与网架短跨之比一般为：跨度小于30m：1/12~1/8跨度在30~60m之间：1/14~1/11跨度大于60m：1/18~1/131.3网架的设计要求3腹杆布置为了充分发挥杆件材料的强度，使网架受力合理，网架的腹杆布置应尽量减小压杆的长细比。对交叉桁架体系网架，腹杆的倾角一般在40度~55度之间。对角锥网架，斜腹杆的倾角宜为60度，有助于杆件标准化。1.3网架的设计要求3腹杆布置对于网格尺寸较大的大跨网架，为了减小上弦杆长度，宜采用再分式腹杆，以减小受压杆的弯曲变形，使结构更为合理。1.3网架的设计要求4网架选型的设计原则满足使用功能；受力合理；经济1建筑平面形状和结构支承条件2结构的跨度3建筑功能和设备专业要求4施工安装方法和场地条件5用钢量小6屋面板的型式1.3网架的设计要求1.4网架的支承与支座1网架的支承网架的支承方式除了与网架的结构类型有关外，还与建筑的使用功能和形式有密切关系。设计时，应把结构的支承方式与建筑的平、立面设计结合起来。第一节网架结构(1)周边支承网架网架支承在周边柱子上，大跨度及中等跨度的网架：1.4网架的支承与支座(1)周边支承网架网架支承在边梁上：1.4网架的支承与支座(1)周边支承网架受力特点：以交叉体系网架为例，周边支承的网架结构的传力路线犹如双向板结构或交叉梁系结构。1.4网架的支承与支座(2)四点支承或多点支承网架1.4网架的支承与支座(3)三边支承网架1.4网架的支承与支座2支座网架结构的支座节点一般采用铰支座，铰支座的构造要符合它的力学假定，允许一定的转动。根据网架跨度的大小、支座受力特点和温度应力等因素的差别，支座节点可做成不动铰支座或半滑动铰支座。具体可分为：1.4网架的支承与支座(1)平板支座适用于跨度较小的情况1.4网架的支承与支座(2)弧形支座适用于跨度大，受温度应力影响较大的网架1.4网架的支承与支座(3)摇摆支座属于半滑动的支座，适用于跨度很大或温差较大的网架，对支座的转动和侧移都不能忽略的情况。这种支座的缺点是只能在一个方向转动。1.4网架的支承与支座A-A(4)球形支座这种支座克服了摇摆支座只能在一个方向转动的缺点。1.4网架的支承与支座(5)受拉支座适用于角部支座会产生很大拉力的两向正交斜放网架等结构类型。1.4网架的支承与支座1.5网架的杆件与节点1网架的杆件形式网架杆件的常用类型有钢管和角钢两种。钢管比角钢受力更为合理，角钢杆件适用于网架形式简单、平面尺寸比较小的情况。第一节网架结构2网架的节点节点构造形式对网架结构的受力性能、制造安装、工程造价等都有很大的影响。合理的节点设计，要保证各个杆件的形心线在节点处汇交于一点，并做到安全可靠，构造简单，易于制作拼装，节约钢材。节点的种类很多，常见的典型节点有：1.5网架的杆件与节点(1)平板节点1.5网架的杆件与节点角钢杆件平板节点(2)焊接球节点1.5网架的杆件与节点球节点(3)螺栓球节点1.5网架的杆件与节点螺栓球节点避免焊接变形，大大加快了安装速度，也有利于构件的标准化。缺点是：构造复杂，机械加工量大。1.6网架结构的施工网架结构由于跨度大，杆件多，在整个建造工程中都需要有非常高的精度。如果精度达不到设计要求，不仅会造成施工困难，也会改变结构原本的几何关系和受力状态，产生附加应力。第一节网架结构1高空拼装法高空拼装法就是利用设在网架设计高度处的施工作业平台，将单根构件或者地面预先拼装好的安装单元在高空作业面进行整体拼装。这种安装方法适合于周围有辅助用房，无法采用整体安装的工程，例如影剧院观众厅上部设置的网架，由于周围有挑台、舞台、休息厅等，可采用这种方法制作安装。1.6网架结构的施工2整体吊装整体吊装法是指将网架在底面预先拼装好，然后再进行整体吊装的施工安装方法。这种方法，可以避免高空作业。1.6网架结构的施工1网架结构2网壳结构3拱结构4悬索结构5薄壁空间结构主要内容第二节网壳结构网壳结构即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构，是格构化的壳体，也是壳形的网架。网壳结构造型新颖多样、受力合理,并兼有杆系结构和薄壳结构的固有特征。第二节网壳结构2.1网壳结构的特点：兼有薄壳结构和平板网架结构的优点杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，可以充分发挥材料强度作用。造型丰富，将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。第二节网壳结构2.1网壳结构的特点：计算、构造、制作安装复杂。单层网壳结构对缺陷具有敏感性，因此确保稳定性是其设计的关键。第二节网壳结构2.2网壳结构的分类：网壳结构根据杆件的布置方式可以分为：单层网壳和双层网壳两种形式。中小跨度（40m以下）可采用单层网壳跨度大时，采用双层网壳。第二节网壳结构2.2网壳结构的分类：第二节网壳结构按球面形式划分单曲面（柱面网壳）双曲面球网壳扭网壳2.3柱面网壳：又称为筒网壳，是单曲面结构，其横截面常为圆弧形，也可以采用椭圆形、抛物线形等。(1)单层柱面网壳根据网格形式可分为五种：联方网格型、费普尔型、单斜杆型、双斜杆型和三向型柱面网壳。第二节网壳结构第二节网壳结构(2)双层柱面网壳：由于单层柱面网壳在刚度和稳定性方面的不足，不少工程采用双层柱面网壳结构。双层柱面网壳的形式很多，与网架的型式相同。第二节网壳结构根据双层柱面网壳的几何形状及其支承条件，网壳结构的作用可以看成为波长方向的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也与两铰拱相似。但由于各种形式的双层柱面网壳杆件的排列方式不一样，拱作用的表现形态也不一样。第二节网壳结构正交类网壳为单向受力状态、以拱的作用为主；斜交类网壳，拱的作用不是表现在波长方向，而是表现在与波长斜交的方向；第二节网壳结构(3)

柱面网壳的受力特点网壳结构的受力与其支承条件有很大关系。网壳结构的支承一般有两对边支承、四边支承、多点支承等。(一)对于两对边支承当柱面网壳结构以跨度方向为支座时，称为筒拱结构。当柱面网壳结构在波长方向设置支座时，网壳以纵向梁的作用为主。第二节网壳结构(二)四边支撑或多点支承四边支承或多点支承的柱面网壳可分为短壳、长壳和中长壳。柱面网壳的受力同时有拱式受压和梁式受弯两个方面。短网壳的拱式受压作用比较明显；长网壳表现出更多梁式受弯特性；中长壳的受力特点介于两者之间。第二节网壳结构3.4.2四边支撑或多点支承第二节网壳结构黑龙江省展览馆某网架屋盖2.4球面网壳：球网壳的关键在于球面的划分。球面划分的基本要求有两个：杆件规格尽可能少，以便制作与装配；(2)形成的结构必须是几何不变体。第二节网壳结构(1)单层球面网壳(一)肋环型网格第二节网壳结构(1)单层球面网壳(二)施威特勒网格第二节网壳结构(1)单层球面网壳(三)联方型网格第二节网壳结构(1)单层球面网壳(四)凯威特型网格第二节网壳结构第二节网壳结构(1)单层球面网壳(五)三向网格型第二节网壳结构(2)双层球面网壳第二节网壳结构(2)双层球面网壳第二节网壳结构凯威特型(2)双层球面网壳为了使网壳既不受单层网壳稳定性控制，又能充分发挥杆件的承载力，节省材料，可采用变厚度或局部双层网壳。其主要形式有：从支承周边到顶部，网壳的厚度均匀地减少（图a）。网壳的下部为双层，顶部为单层；网壳的大部分为单层，仅在支承区域为双层。第二节网壳结构(3)球面网壳的受力特点球网壳是格构化的球壳，其受力状态与圆顶的受力相似，网壳的杆件为拉杆或压杆。球网壳可设置环梁，也可不设环梁。但一般情况下，设置环梁有利于增强结构的刚度。随网壳支座约束的增加，球网壳