網架結構

網架結構是高次超靜定結構體系。板型網架分析時，一般假定節(jié)點為鉸接，將外荷載按靜力等效原則作用在節(jié)點上，可按空間桁架位移法，即鉸接桿系有限元法進行計算。也可采用簡化計算法，諸如交叉梁系差分分析法、擬板法等進行內力、位移計算。單層殼型網架的節(jié)點一般假定為剛接，應按剛接桿系有限元法進行計算；雙層殼型網架可按鉸接桿系有限元法進行計算。單層和雙層殼型網架也都可采用擬殼法簡化計算。

桿件設計與節(jié)點構造。網架結構的桿件截面應根據強度和穩(wěn)定性計算確定。為減小壓桿的計算長度增加其穩(wěn)定性，可采用增設再分桿及支撐桿等措施。用鋼材制作的板型網架及雙層殼型網架的節(jié)點，主要有十字板節(jié)點、焊接空心球節(jié)點及螺栓球節(jié)點三種形式。十字板節(jié)點適用于型鋼桿件的網架結構，桿件與節(jié)點板的連接，采用焊接或高強螺栓連接?？招那蚬?jié)點及螺栓球節(jié)點適用于鋼管桿件的網架結構。單層殼型網架的節(jié)點應能承受彎曲內力，一般情況下，節(jié)點的耗鋼量占整個鋼網架結構用鋼量的15～20%。

有11種形式的網架結構在我國得到不同程度的應用，下面從構成和特點兩方面對這11種形式的網架加以介紹。

網架結構交叉桁架體系網架

第一大類是由兩組或三組平面桁架組成的網架結構，稱之為交叉桁架體系網架。這是一種最簡單的，也是最早得到采用的網架結構形式之一。它是在交叉梁的基礎上發(fā)展而來和演變而來。這類網架的上、下弦桿等長。腹桿一般可設計為“拉桿體系”，即長桿（斜桿）受拉，短桿（豎桿）受壓，斜桿與弦桿夾角宜在40度到60度之間。其中，豎桿為各組平面桁架所共用。這類網架常用的有2種形式。

其中交叉桁架體系又分為：兩向網架和三向網架。

(1)兩向正交正放網架

兩向正交正放網架是由兩個方向的平面桁架垂直交叉而成。在矩形建筑平面中應用時，兩向桁架分別與邊界垂直(或平行)，兩個方向網格數宜布置成偶數，如為奇數，則在桁架中部節(jié)間宜做成交叉腹桿。由于該網架上弦、下弦組成的網格為矩形，弦層內無有效支承，屬于幾何可變體系。為能有效傳遞水平荷載，對于周邊支撐網架，宜在支承平面(支承平面指與支承結構相連弦桿組成的平面，上弦或下弦平面)內沿周邊設置水平斜桿(對于點支承網架，應在支承平面(上弦或下弦平面)內沿主桁架(通過支承的桁架)的兩側(或一側)設置水平斜桿。

(2)兩向正交斜放網架

由兩個方向的平面桁架交叉而成，在矩形建筑平面中應用時，兩向桁架與矩形建筑邊界夾角為45°(或-45°)，可以理解為由兩向正交正放桁架在建筑平面上放置時旋轉45°。這類網架兩個方向平面桁架的跨度有長有短，節(jié)間數有多有少，但網架是等高的，因此桁架剛度各異，能形成良好的空間受力體系。周邊支承時，有長桁架通過角支點)和避開角支點兩種布置，前者對四角支座產生較大的拉力，后者角部拉力可由兩個支座分擔。

(3)兩向斜交斜放網架

由兩個方向的平面桁架交叉組成，但其角度并不正交，從而形成菱形網格。它主要適用于兩個方向網格尺寸不同，而要求弦桿長度相等的情況。同時，這類網架桿件之間的角度不規(guī)則，造成節(jié)點構造復雜，空間受力性能欠佳，因此只是在建筑上有特殊要求時才考慮使用。

(4)三向網架

由三個方向桁架按60°角相互交叉組成。這類網架的上、下弦平面的網格一般呈正三角形，為幾何不變體，空間剛度大，受力性能好，支座受力較均勻，但匯交于一個節(jié)點的桿件最多可達13根，節(jié)點構造比較復雜，宜采用焊接空心球節(jié)點。三向網架適合于較大跨度(l>60m)，且建筑平面為三角形、六邊形、多邊形和圓形，當用于非六邊形平面時，周邊將出現非正三角形網格。

網架結構三角錐體系網架

第二大類適合于正方形、矩形、三角形、梯形、六邊形、八邊形和圓形等平面形狀的建筑。

其中分為：三角錐網架、抽空三角錐網架、蜂窩形三角錐網架。

(1)三角錐網架

三角錐網架是由倒置的三角錐體組合而成的，上、下弦平面均為正三角形網格，下弦三角形的頂點在上弦三角形網格的形心投影線上。三角錐網架受力比較均勻，整體抗扭、抗彎剛度好，如果取網架高度為網格尺寸的√2/3倍，則網架的上弦、下弦和腹桿桿件長度相等。上、下弦節(jié)點處匯交9根，節(jié)點構造類型完全相同。它一般適用于大中跨度及重屋蓋的建筑，當建筑平面為三角形、六邊形或圓形時最為適宜。

(2)抽空三角錐網架

抽空三角錐網架是在三角錐網架基礎上，適當抽去一些三角錐中的腹桿和下弦桿，使上弦網格仍為三角形。抽錐規(guī)律不同，則形成的下弦網格的形狀也將不同。第一種抽錐規(guī)律是：沿網架周邊一圈的網格均不抽錐，內部從第二圈開始沿三個方向間隔一個網格開始抽錐第二種抽錐規(guī)律是：從周邊網格開始抽錐，沿三個方向間隔兩個抽錐一個。抽空三角錐網架抽掉桿件較多，整體剛度不如三角錐網架，適用于中小跨度的三角形、六邊形和圓形的建筑平面。

(3)蜂窩形三角錐網架

蜂窩形三角錐網架是倒置三角錐按一定規(guī)律排列組成，上弦網格為三角形和六邊形，下弦網格為六邊形。它的上弦桿較短，下弦桿較長，受力合理。每個節(jié)點均只匯交6根桿件，節(jié)點構造統一，用鋼量較省。蜂窩形三角錐網架本身是幾何可變的，需要借助于支座水平約束來保證其幾何不變，在施工安裝時應引起注意。分析表明，這種網架的下弦桿和腹桿內力以及支座的豎向反力均可由靜力平衡條件求得，根據支座水平約束情況決定上弦桿的內力。它主要適用于周邊支承的中小跨度屋蓋。

網架結構四角錐體系網架

第三大類是由四角錐體組成的網架結構，有五種形式，分別是：正放四角錐網架、正放抽空四角錐網架、斜放四角錐網架、棋盤形四角錐網架和星型形四角錐網架。

網架結構六角錐體系網架

第四大類是由六角錐體（七面體）組成的網架結構，稱為六角錐體系網架。它的基本單位元為6根弦桿，6根弦桿構成的六角錐體（可倒置或正置）。這類網架的一種主要形式即為六角錐網架。

網架結構種類甚多，可按不同的標準對其進行分類。

一、按網架本身的構造可分為：單層網架結構、雙層網架結構；、三層網架。其中，單層網架和三層網架分別適用于跨度很?。ú淮笥?0m）和跨度特別大（大于100m）的情況，在國內的工程應用極少。

二、按建造材料分為：鋼網架、鋁網架、木網架、塑料網架、鋼筋混凝土網架和組合網架（如鋼網架與鋼筋混凝土板共同作用的組合網架等），其中鋼網架在我國得到了廣泛的應用，組合網架還可以用作樓板層結構。

三、按支承情況可分為：周邊支承、四點支承、多點支承、三邊支承、對邊支承以及混合支承形式。

四、按組成方式不同，又可將網架分為四大類：

1、交叉桁架體系網架；

2、三角錐體系網架；

3、四角錐體系網架；

4、六角錐體系網架。

其中第四種分類方法是目前國內較為流行的一種分類方法。

網架結構是一種空間桿系結構，受力桿件通過節(jié)點按一定規(guī)律連接起來。節(jié)點一般設計成鉸接，桿件主要承受軸力作用，桿件截面尺寸相對較小。這些空間匯交的桿件又互為支承，將受力桿件與支承系統有機地結合起來，因而用料經濟。由于結構組合有規(guī)律，大量的桿和節(jié)點的形狀、尺寸相同，便于工廠化生產，便于工地安裝。

網架結構一般是高次超靜定結構，能較好地承受集中荷載、動力荷載和非對稱荷載，抗震性能好。網架結構能夠適應不同跨度、不同支承條件的公共建筑和工廠廠房的要求，也能適應不同建筑平面及其組合。1981年5月我國頒布了《網架結構設計與施工規(guī)定》(JGJ7-80)，1991年9月又將其進行修訂頒布了《網架結構設計與施工規(guī)程》(JGJ7-91)，2010年7月將網架結構、網殼結構和立體管桁架結構等相關條文進行了結合頒布了《空間網格結構技術規(guī)程》(JGJ7―2010)。此外，針對網架結構螺栓球節(jié)點及其配件，我國專門頒布了《鋼網架螺栓球節(jié)點》(JG/T10―2009)和《鋼網架螺栓球節(jié)點用高強度螺栓》(GB/T16939--2016)，針對網架結構焊接球節(jié)點及其配件，頒布了《鋼網架焊接空心球節(jié)點》(JG/T11-2009)，一些省份甚至出臺了針對節(jié)點生產制作的地方標準，例如江蘇省地方標準《鋼網架(殼)螺栓球節(jié)點錐頭技術規(guī)范》(DB32/952-2006)。這些相關標準是對我國目前網架結構工程和科研成果的總結，有力地推動了我國網架結構的發(fā)展。

分析網架結構是空間鉸接桿系結構，在任意外力作用下不允許發(fā)生幾何可變，故必須進行結構幾何不變性分析。

網架結構的幾何不變性分析必須滿足兩個條件：

一是具有必要的約束數量，如果不具備必要的約束數量，這個結構肯定是可變體系，簡稱必要條件；

二是約束設置方式要合理，如約束布置不合理，雖然滿足必要條件，結構仍可能是可變體系，簡稱充分條件。

網架結構是空間結構，一個節(jié)點有三個自由度，其幾何不變的必要條件是：

W = 3J - B - S ≤ 0

式中：

• B―網架的桿件數；

• S―支座約束鏈桿數，S≥6；

• J―網架的節(jié)點數。

由此可見：①W>0，該網架為幾何可變體系；②W=0，該網架無多余約束，如桿件和約束布置合理，該網架為靜定結構；③W超靜定結構。

網架結構的幾何不變的充分條件是：①用三個不在一個平面上的桿件匯交于一點，該點為空間不動點，即幾何不變的；②三角錐是組成空間結構幾何不變的最小單元；③由三角形圖形的平面組成的空間結構，其節(jié)點至少為三平面交匯點時，該結構為幾何不變體系。

網架結構最少支座約束條件是：滿足對整體剛體位移的約束，即約束剛體的三個平動位移和三個轉動位移，以免發(fā)生網架整體剛體位移。因此，對網架結構最基本的約束應至少滿足6個自由度，具體如圖《網架最少支架約束條件》所示。

網架結構的類型較多，具體選擇哪種類型時，要綜合考慮許多因素。選型應堅持以下原則：安全可靠、技術先進、經濟合理、美觀適用。

平面形狀為矩形的周邊支承或三邊支承一邊開口的網架，當其邊長比(即長邊與短邊之比)小于或等于1.5時，宜選用正放四角錐網架、斜放四角錐網架、棋盤形四角錐網架、正放抽空四角錐網架、兩向正交斜放網架、兩向正交正放網架。當其邊長比大于1.5時，宜選用兩向正交正放網架、正放四角錐網架或正放抽空四角錐網架。平面形狀為矩形、多點支承的網架可根據具體情況選用正放四角錐網架、正放抽空四角錐網架、兩向正交正放網架。平面形狀為圓形、正六邊形等周邊支承的網架，可根據具體情況選用三向網架、三角錐網架或抽空三角錐網架。對中小跨度，也可選用蜂窩形三角錐網架。

網架的網格高度與網格尺寸應根據跨度大小、荷載條件、柱網尺寸、支承情況、網格形式以及構造要求和建筑功能等因素確定，網架的高跨比可取1/18~1/10。網架的短向跨度的網格數不宜小于5。確定網格尺寸時宜使相鄰桿件的夾角小于45°，且不宜小于30°。

空間網架結構是由很多桿件通過節(jié)點，按照一定規(guī)律組成的網狀空間桿系結構。網架結構根據外形可分為平板網架和曲面網架。通常情況下，平板網架簡稱為網架；曲面網架簡稱為網殼。

空間網架結構：

空間網架結構的特點：

網架結構為一種空間桿系結構，具有三維受力特點，能承受各方向的作用，并且網架結構一般為高次超靜定結構，倘若一桿局部失效，僅少一次超靜定次數，內力可重新調整，整個結構一般并不失效，具有較高的安全儲備。其空中交匯的桿件既為受力桿件，又為支撐桿件，工作時互為支撐，協同工作，因此它的整體性好，穩(wěn)定性好，空間剛度大，能有效承受非對稱荷載、集中荷載和動荷載，并具有較好的抗震性能。同時，在節(jié)點荷載作用下，各桿件主要承受軸向的拉力和壓力，能充分發(fā)揮材料的強度，節(jié)省鋼材。而且網架結構組合有規(guī)律，大量節(jié)點和桿件的形狀、尺寸相同，并且桿件和節(jié)點規(guī)格較少，便于生產，產品質量高，現場拼裝容易，可提高施工速度。

網架結構不僅實現了利用較小規(guī)格的桿件來建造大跨度結構，而且結構占用空間較小，更能有效利用空間。