第九章 大跨屋盖结构

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四、网架结构的支承 网架的支承方式有周边支承、点支承、周边支承与点 支承相结合，两边和三边支承等。 (1)周边支承：网架四周全部或部分边界节点设置支座， 支座可支承在柱顶或圈梁上，网架受力类似于四边 支承板，是常用的支承方式。为了减小弯矩，也可 将周边支座略为缩进，接近于点支承。
通过角支点：对四角 支座产生较大的拉力； 避开角支点：角部拉 力可由两个支座分担。
由角部两个柱子共同承担，避免拉力集中。 适用范围： 任意尺寸的矩形建筑平面； 中等跨度：30~60米； 大跨度：60米以上。
（3）三向网架 概念：由三个方向平面桁架按60º 角相互交叉而成，上 下弦平面内的网格均匀， 但汇交于一个节点的杆件最多可达13根； ②节点构造较复杂，宜采用钢管杆件及焊接空心球节点； ③三向网架适用于大跨度 (L>60m)的多边形及圆形平 面。用于中小跨度(L60m) 时，不够经济。
(2)抽空三角锥网架 概念：保持三角锥网架的上弦网格不变，按一定规律抽去部分 腹杆和下弦杆即可。 抽杆的方法是沿网架周边一圈的网格不抽杆，内部从第 二圈开始沿三个方向每间隔一个网格抽掉部分杆，则下弦网 格成为多边形的组合。 特点： ①抽杆后，网架空间刚度受到削弱。 下弦杆数量减少，内力较大。 ②适用于平面为多边形的中小跨度 建筑。
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81×81米有柱展厅，屋盖采用双向空间钢桁架结构。桁架下弦 标高为10.55米，桁架高度H=4.0米，钢桁架沿纵向间距为27米， 沿横向间距为9米，均支承在钢筋砼柱柱顶，由于该区屋面为屋 顶花园，屋面活荷载按8.0KN/m2设计,故屋盖承重结构选用钢桁 架,并且正交桁架高度相等,弦杆为刚接,在纵向垂直支撑、系杆 的保证作用下形成空间桁架结构体系。
五、网架高度及网格尺寸 ⑴网架高度：与屋面荷载、跨 度、平面形状、支承条件及 设备管道等因素有关。 下列情况时，网架高度大些： A、屋面荷载较大、跨度较大时； B、狭长平面时，单向传力明显 时； C、点支承网架； D、网架中有穿行管道时。
⑵网格尺寸：与网架高度关系密切。 A、斜腹杆与弦杆夹角在40°～55°之间为宜； B、网格尺寸要与屋面材料相适应，直接铺设钢筋混凝 土板时尺寸不宜大于3m。 C、若采用有檩体系时，檩条长度一般不超过6m。 对周边支承的各类网架高度及网格尺寸按下表选用。
(2)两向正交斜放网架 概念：两个方向的平面桁架垂直相交。用于矩形建筑 平面时，两向桁架与边界夹角为45º 。 特点：①有可靠边界时，体系是几何不变的； ②各榀桁架的跨度长短不等，靠近角部的桁架跨度小， 对与它垂直的长桁架起支承作用，减小了长桁架跨 中弯矩，长桁两端要产生负弯矩和支座拉力。 ③周边支承时，有长桁架通过角支点和避开角支点两 种布置；
(3)平面尺寸很大的建筑物，除在网架周边设置支承外， 可在内部增设中间支承，以减小网架杆件内力及挠 度。
(4)在工业厂房的扩建端、飞机库、船体车间、剧院舞 台口等不允许在网架的一边或两边设柱子时，需将网 架设计成三边支承一边自由或两边支承两边自由的形 式。对这种网架应采取设置边桁架，局部加大杆件截 面或局部三层网架等措施加强其开口边的刚度。
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张拉整体式结构
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图2 张拉整体结构
§3.2 网架的形式
按层数分： ⑴双层网架：由上弦、下弦、腹杆组成的空间结构； ⑵三层网架：由上弦、中弦、下弦、上腹杆、下腹杆、 组成的空间结构。
三层网架的特点： 优点：高度大、弦杆内力小、网格尺寸小、腹杆长度 小、较大跨度时用钢量较双层省。 缺点：节点和杆件 数量多、中层节点 所连杆件多、构造 复杂、造价有所提 高。
六、网架的挠度要求及屋面排水坡度 (1) 容许挠度：用作屋盖：L2／250； 用作楼面：L2／300。 (2) 屋面排水坡度一般为3％一5％，找坡办法： (a)上弦节点设不等长的小立柱，立柱要注意稳定性； (b)对网架起拱； (c)采用变高度网架； (d)有起拱要求的网架，其拱应可取不大于短向跨度的 1／300。
第九章
大跨度屋盖结构
§3.1 结构形式
大跨结构按几何形状、组成方法、结构材料及受 力特点的不同可分为： ⑴平面结构体系：梁式结构（平面、空间桁架）、 平面刚架、拱式结构。 ⑵空间结构体系：平板网架结构、网壳结构、悬 索结构、斜拉结构、张拉整体结构等。
空间桁架：
门式刚架结构
拱 结 构
平板网架
4、在抗震设防烈度为7度的地区，可不进行网架结构 水平抗震验算； 在抗震设防烈度为8度的地区，对于周边支承的中小跨 度网架可不进行水平抗震验算； 在抗震设防烈度为9度的地区，对各种网架结构均应进 行水平抗震验算。 5、网架结构符合下列条件之一者，可不考虑由于温度 变化而引起的内力： (a)支座节点的构造允许网架侧移，且侧移值不小于计 算值； (b)周边支承的网架，当网架验算方向跨度小于40m， 且支承结构为独立柱或砖壁柱； (c)在单位力作用下，柱顶位移大于或等于计算值。
(3)蜂窝形三角锥网架 上弦网格为三角形和六边形，下弦网格为六边形。腹 杆与下弦杆位于同一竖向平面内。节点、杆件数量 都较少，适用于周边支承，中小跨度屋盖。 蜂窝形三角锥网架本身是几何可变的，借助于支座水 平约束来保证其几何不变。
三、网架选型 跨度：按《网架结构设计与施工规程》JGJ7—91的划 分：60m以上为大跨度；中跨度为30～60m；小跨度 为30m以下。 选型一般结合： 工程的平面形状、 建筑要求、荷载、 跨度的大小、 支承情况、造价等 因素综合分析确定。
3.3 网架的计算要点
一、直接作用(荷载)和间接作用 1、网架结构的永久荷载有： ①网架自重；②屋面(或楼面)材料重力； ③吊顶材料的重力；④设备管道的重力。
双层网架自重qok （kN / m 2）估算公式： qok qw L2 / 200 L2 — 网络的短向跨度，m；
式中：qw — 除网架自重外的屋面荷载（或楼面荷载）的标准值（kN / m 2）
3、三角锥体系网架 概念：组成基本单元是锥底为正三角形的倒置三角锥。锥底三 条边为网架上弦杆，棱边为网架的腹杆，连接锥顶的杆件为 网架下弦杆。 三角锥网架主要有三种形式： (1)三角锥网架：三角锥网架上下弦平面均为正三角形网格，上 下弦节点各连9根杆件。当网架高度为网格尺寸的（2/3）0.5 倍时，上下弦杆和腹杆等长。三角锥网架受力均匀，整体性 和抗扭刚度好，适用于平面为多边形的大中跨度建筑。
(2)正放抽空四角锥网架 由正放四角锥网架适当抽掉一些腹杆和下弦杆，如每 隔一个网格抽去斜腹杆和下弦杆，使下弦网格的宽 度等于上弦网格的二倍，从而减小杆件数量，降低 了用钢量，但刚度较正放四角锥网架弱一些。在抽 空部位可设置采光或通风天窗。由于周边网格不宜 抽杆，两个方向网格数宜取奇数。
(3)棋盘形四角锥网架 在正放四角锥网架基础上，保持周边四角锥不变，中 间四角锥间隔抽空。上弦杆为正交正放，下弦杆与 边界成45º 角，为正交斜放。 特点：上弦短杆受压，下弦长杆受拉，节点汇交杆件 少；适用于小跨度周边支承情况。
二、双层网架的常用形式 1、 平面桁架系网架 特点：上、下弦长度相等，上下弦杆与腹 杆位于同一垂直平面内。一般情况下竖 杆受压，斜杆受拉。斜腹杆与弦杆夹角 宜在40°～60°之间。
(1)两向正交正放网架 ①矩形建筑平面中，网架的弦杆垂 直于及平行于边界； ②两个方向网格数宜布置成偶数， 如为奇数，桁架中部节间应做成交 叉腹杆； ③对周围支承网架宜在水平支承面 内设斜撑杆； ④对点支承网架应在支承平面内沿 主桁架的两侧设置水平斜撑杆； ⑤对周边支承者，平面尺寸越接近正方形，两向桁架杆 件内力越接近，空间作用越明显。随建筑平面边长比的 增大，短向传力作用明显增大。
一般情况的选型可遵循下列原则： ①平面形状为矩形的周边支承网架，当其长边/短边 小于或等于1．5时，宜选用： A、正放或斜放四角锥网架； B、棋盘形四角锥网架； C、正放抽空四角锥网架； D、两向正交斜放或正放网架。 E、对中小跨度，也可选用星形四角锥网架和蜂窝形 三角锥网架。 ②平面形状为矩形的周边支承网架，当其边长比（长 边/短边）大于1.5时，宜选用： A、两向正交正放网架； B、正放四角锥网架； C、正放抽空四角锥网架。 D、当边长比不大于2时，也可用斜放四角锥网架。
一、网架结构的几何不变性分析 网架结构几何不变的必要条件是
W 3J m r 0
J—网架的节点数； m—网架的杆件数； r—支座约束链杆数， r≥6； W＞0网架为几何不变体系； W=0网架无多余杆件，如杆件布置合理，为静定结构 W＞0网架有多余杆件，如杆件布置合理，为超静定结 构
网架结构几何不变的充分条件一般可通过对结构 的总刚度矩阵来判断。 满足下列条件之一者，该刚架结构为几何可变体系： ⑴引入边界条件后，总刚度[K]中对角线上出现零元 素，则与之对应的节点为几何可变； ⑵引入边界条件后，总刚度矩阵行列式K=0，该矩阵 奇异，结构为几何可变。
2、四角锥体系网架 概念：由若干倒置的四角锥按一定规律组成。网架 上下弦平面均为方形网格，下弦节点均在上弦网 格形心的投影线上，与上弦网格四个节点用斜腹 杆相连。
(1)正放四角锥网架 ①建筑平面为矩形时，其上、下弦杆均与边界平行或垂直； ②上下弦节点各连接8根杆件，构造较统一； ③若网格两个方向尺寸相等且腹杆与下弦平面夹角为45º ，上下 弦杆和腹杆长度均相等； ④间刚度较好，但杆件数量较多，用钢量大； ⑤适用于接近方形的中小跨度，宜采用周边支承。
网壳结构
旧金山金门大桥
塔高227米，每根钢索重6412公吨，由 27000根钢丝绞成，重2.45万吨 。
这种悬吊结 构体系，在 国内尚属罕 见，在境外 也只有德国 宝马汽车大 厦、香港汇 丰银行等极 少个案。
广东省博物馆新馆采用巨型桁架悬吊结构体系，在中部沿边长67.5米的方 形四周布置钢骨混凝土剪力墙，在剪力墙上端设置8榀跨度为67.5米且两 端各悬挑23米、高6.5米的大型空间钢桁架，沿悬臂桁架外端设4榀封口桁 架，再在封口桁架下伸边长6米的箱型钢吊杆，悬吊3～4层楼面体系。