網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定結(jié)構(gòu)體系。板型網(wǎng)架分析時(shí)，一般假定節(jié)點(diǎn)為鉸接，將外荷載按靜力等效原則作用在節(jié)點(diǎn)上，可按空間桁架位移法，即鉸接桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算。也可采用簡(jiǎn)化計(jì)算法，諸如交叉梁系差分分析法、擬板法等進(jìn)行內(nèi)力、位移計(jì)算。單層殼型網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)一般假定為剛接，應(yīng)按剛接桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算；雙層殼型網(wǎng)架可按鉸接桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算。單層和雙層殼型網(wǎng)架也都可采用擬殼法簡(jiǎn)化計(jì)算。

桿件設(shè)計(jì)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件截面應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算確定。為減小壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度增加其穩(wěn)定性，可采用增設(shè)再分桿及支撐桿等措施。用鋼材制作的板型網(wǎng)架及雙層殼型網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)，主要有十字板節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)及螺栓球節(jié)點(diǎn)三種形式。十字板節(jié)點(diǎn)適用于型鋼桿件的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，桿件與節(jié)點(diǎn)板的連接，采用焊接或高強(qiáng)螺栓連接?？招那蚬?jié)點(diǎn)及螺栓球節(jié)點(diǎn)適用于鋼管桿件的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。單層殼型網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)應(yīng)能承受彎曲內(nèi)力，一般情況下，節(jié)點(diǎn)的耗鋼量占整個(gè)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量的15～20%。

有11種形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到不同程度的應(yīng)用，下面從構(gòu)成和特點(diǎn)兩方面對(duì)這11種形式的網(wǎng)架加以介紹。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)交叉桁架體系網(wǎng)架

第一大類是由兩組或三組平面桁架組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，稱之為交叉桁架體系網(wǎng)架。這是一種最簡(jiǎn)單的，也是最早得到采用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式之一。它是在交叉梁的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)和演變而來(lái)。這類網(wǎng)架的上、下弦桿等長(zhǎng)。腹桿一般可設(shè)計(jì)為“拉桿體系”，即長(zhǎng)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(wǎng)架常用的有2種形式。

其中交叉桁架體系又分為：兩向網(wǎng)架和三向網(wǎng)架。

(1)兩向正交正放網(wǎng)架

兩向正交正放網(wǎng)架是由兩個(gè)方向的平面桁架垂直交叉而成。在矩形建筑平面中應(yīng)用時(shí)，兩向桁架分別與邊界垂直(或平行)，兩個(gè)方向網(wǎng)格數(shù)宜布置成偶數(shù)，如為奇數(shù)，則在桁架中部節(jié)間宜做成交叉腹桿。由于該網(wǎng)架上弦、下弦組成的網(wǎng)格為矩形，弦層內(nèi)無(wú)有效支承，屬于幾何可變體系。為能有效傳遞水平荷載，對(duì)于周邊支撐網(wǎng)架，宜在支承平面(支承平面指與支承結(jié)構(gòu)相連弦桿組成的平面，上弦或下弦平面)內(nèi)沿周邊設(shè)置水平斜桿(對(duì)于點(diǎn)支承網(wǎng)架，應(yīng)在支承平面(上弦或下弦平面)內(nèi)沿主桁架(通過(guò)支承的桁架)的兩側(cè)(或一側(cè))設(shè)置水平斜桿。

(2)兩向正交斜放網(wǎng)架

由兩個(gè)方向的平面桁架交叉而成，在矩形建筑平面中應(yīng)用時(shí)，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(shí)旋轉(zhuǎn)45°。這類網(wǎng)架兩個(gè)方向平面桁架的跨度有長(zhǎng)有短，節(jié)間數(shù)有多有少，但網(wǎng)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(shí)，有長(zhǎng)桁架通過(guò)角支點(diǎn))和避開(kāi)角支點(diǎn)兩種布置，前者對(duì)四角支座產(chǎn)生較大的拉力，后者角部拉力可由兩個(gè)支座分擔(dān)。

(3)兩向斜交斜放網(wǎng)架

由兩個(gè)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(wǎng)格。它主要適用于兩個(gè)方向網(wǎng)格尺寸不同，而要求弦桿長(zhǎng)度相等的情況。同時(shí)，這類網(wǎng)架桿件之間的角度不規(guī)則，造成節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，空間受力性能欠佳，因此只是在建筑上有特殊要求時(shí)才考慮使用。

(4)三向網(wǎng)架

由三個(gè)方向桁架按60°角相互交叉組成。這類網(wǎng)架的上、下弦平面的網(wǎng)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(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，宜采用焊接空心球節(jié)點(diǎn)。三向網(wǎng)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(dāng)用于非六邊形平面時(shí)，周邊將出現(xiàn)非正三角形網(wǎng)格。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)三角錐體系網(wǎng)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(wǎng)架、抽空三角錐網(wǎng)架、蜂窩形三角錐網(wǎng)架。

(1)三角錐網(wǎng)架

三角錐網(wǎng)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(wǎng)格，下弦三角形的頂點(diǎn)在上弦三角形網(wǎng)格的形心投影線上。三角錐網(wǎng)架受力比較均勻，整體抗扭、抗彎剛度好，如果取網(wǎng)架高度為網(wǎng)格尺寸的√2/3倍，則網(wǎng)架的上弦、下弦和腹桿桿件長(zhǎng)度相等。上、下弦節(jié)點(diǎn)處匯交9根，節(jié)點(diǎn)構(gòu)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(dāng)建筑平面為三角形、六邊形或圓形時(shí)最為適宜。

(2)抽空三角錐網(wǎng)架

抽空三角錐網(wǎng)架是在三角錐網(wǎng)架基礎(chǔ)上，適當(dāng)抽去一些三角錐中的腹桿和下弦桿，使上弦網(wǎng)格仍為三角形。抽錐規(guī)律不同，則形成的下弦網(wǎng)格的形狀也將不同。第一種抽錐規(guī)律是：沿網(wǎng)架周邊一圈的網(wǎng)格均不抽錐，內(nèi)部從第二圈開(kāi)始沿三個(gè)方向間隔一個(gè)網(wǎng)格開(kāi)始抽錐第二種抽錐規(guī)律是：從周邊網(wǎng)格開(kāi)始抽錐，沿三個(gè)方向間隔兩個(gè)抽錐一個(gè)。抽空三角錐網(wǎng)架抽掉桿件較多，整體剛度不如三角錐網(wǎng)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(wǎng)架

蜂窩形三角錐網(wǎng)架是倒置三角錐按一定規(guī)律排列組成，上弦網(wǎng)格為三角形和六邊形，下弦網(wǎng)格為六邊形。它的上弦桿較短，下弦桿較長(zhǎng)，受力合理。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均只匯交6根桿件，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造統(tǒng)一，用鋼量較省。蜂窩形三角錐網(wǎng)架本身是幾何可變的，需要借助于支座水平約束來(lái)保證其幾何不變，在施工安裝時(shí)應(yīng)引起注意。分析表明，這種網(wǎng)架的下弦桿和腹桿內(nèi)力以及支座的豎向反力均可由靜力平衡條件求得，根據(jù)支座水平約束情況決定上弦桿的內(nèi)力。它主要適用于周邊支承的中小跨度屋蓋。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)四角錐體系網(wǎng)架

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

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)六角錐體系網(wǎng)架

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

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)種類甚多，可按不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行分類。

一、按網(wǎng)架本身的構(gòu)造可分為：?jiǎn)螌泳W(wǎng)架結(jié)構(gòu)、雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；、三層網(wǎng)架。其中，單層網(wǎng)架和三層網(wǎng)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(guó)內(nèi)的工程應(yīng)用極少。

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

三、按支承情況可分為：周邊支承、四點(diǎn)支承、多點(diǎn)支承、三邊支承、對(duì)邊支承以及混合支承形式。

四、按組成方式不同，又可將網(wǎng)架分為四大類：

1、交叉桁架體系網(wǎng)架；

2、三角錐體系網(wǎng)架；

3、四角錐體系網(wǎng)架；

4、六角錐體系網(wǎng)架。

其中第四種分類方法是目前國(guó)內(nèi)較為流行的一種分類方法。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種空間桿系結(jié)構(gòu)，受力桿件通過(guò)節(jié)點(diǎn)按一定規(guī)律連接起來(lái)。節(jié)點(diǎn)一般設(shè)計(jì)成鉸接，桿件主要承受軸力作用，桿件截面尺寸相對(duì)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(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，因而用料經(jīng)濟(jì)。由于結(jié)構(gòu)組合有規(guī)律，大量的桿和節(jié)點(diǎn)的形狀、尺寸相同，便于工廠化生產(chǎn)，便于工地安裝。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般是高次超靜定結(jié)構(gòu)，能較好地承受集中荷載、動(dòng)力荷載和非對(duì)稱荷載，抗震性能好。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)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(yīng)不同建筑平面及其組合。1981年5月我國(guó)頒布了《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)定》(JGJ7-80)，1991年9月又將其進(jìn)行修訂頒布了《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ7-91)，2010年7月將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和立體管桁架結(jié)構(gòu)等相關(guān)條文進(jìn)行了結(jié)合頒布了《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ7―2010)。此外，針對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)螺栓球節(jié)點(diǎn)及其配件，我國(guó)專門頒布了《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)》(JG/T10―2009)和《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓》(GB/T16939--2016)，針對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)焊接球節(jié)點(diǎn)及其配件，頒布了《鋼網(wǎng)架焊接空心球節(jié)點(diǎn)》(JG/T11-2009)，一些省份甚至出臺(tái)了針對(duì)節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)制作的地方標(biāo)準(zhǔn)，例如江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《鋼網(wǎng)架(殼)螺栓球節(jié)點(diǎn)錐頭技術(shù)規(guī)范》(DB32/952-2006)。這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)我國(guó)目前網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程和科研成果的總結(jié)，有力地推動(dòng)了我國(guó)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)，在任意外力作用下不允許發(fā)生幾何可變，故必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何不變性分析。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變性分析必須滿足兩個(gè)條件：

一是具有必要的約束數(shù)量，如果不具備必要的約束數(shù)量，這個(gè)結(jié)構(gòu)肯定是可變體系，簡(jiǎn)稱必要條件；

二是約束設(shè)置方式要合理，如約束布置不合理，雖然滿足必要條件，結(jié)構(gòu)仍可能是可變體系，簡(jiǎn)稱充分條件。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，其幾何不變的必要條件是：

W = 3J - B - S ≤ 0

式中：

• B―網(wǎng)架的桿件數(shù)；

• S―支座約束鏈桿數(shù)，S≥6；

• J―網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

由此可見(jiàn)：①W>0，該網(wǎng)架為幾何可變體系；②W=0，該網(wǎng)架無(wú)多余約束，如桿件和約束布置合理，該網(wǎng)架為靜定結(jié)構(gòu)；③W超靜定結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何不變的充分條件是：①用三個(gè)不在一個(gè)平面上的桿件匯交于一點(diǎn)，該點(diǎn)為空間不動(dòng)點(diǎn)，即幾何不變的；②三角錐是組成空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)至少為三平面交匯點(diǎn)時(shí)，該結(jié)構(gòu)為幾何不變體系。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最少支座約束條件是：滿足對(duì)整體剛體位移的約束，即約束剛體的三個(gè)平動(dòng)位移和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移，以免發(fā)生網(wǎng)架整體剛體位移。因此，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最基本的約束應(yīng)至少滿足6個(gè)自由度，具體如圖《網(wǎng)架最少支架約束條件》所示。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的類型較多，具體選擇哪種類型時(shí)，要綜合考慮許多因素。選型應(yīng)堅(jiān)持以下原則：安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)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(kāi)口的網(wǎng)架，當(dāng)其邊長(zhǎng)比(即長(zhǎng)邊與短邊之比)小于或等于1.5時(shí)，宜選用正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、棋盤形四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架。當(dāng)其邊長(zhǎng)比大于1.5時(shí)，宜選用兩向正交正放網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架或正放抽空四角錐網(wǎng)架。平面形狀為矩形、多點(diǎn)支承的網(wǎng)架可根據(jù)具體情況選用正放四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架。平面形狀為圓形、正六邊形等周邊支承的網(wǎng)架，可根據(jù)具體情況選用三向網(wǎng)架、三角錐網(wǎng)架或抽空三角錐網(wǎng)架。對(duì)中小跨度，也可選用蜂窩形三角錐網(wǎng)架。

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

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由很多桿件通過(guò)節(jié)點(diǎn)，按照一定規(guī)律組成的網(wǎng)狀空間桿系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)根據(jù)外形可分為平板網(wǎng)架和曲面網(wǎng)架。通常情況下，平板網(wǎng)架簡(jiǎn)稱為網(wǎng)架；曲面網(wǎng)架簡(jiǎn)稱為網(wǎng)殼。

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)：

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為一種空間桿系結(jié)構(gòu)，具有三維受力特點(diǎn)，能承受各方向的作用，并且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般為高次超靜定結(jié)構(gòu)，倘若一桿局部失效，僅少一次超靜定次數(shù)，內(nèi)力可重新調(diào)整，整個(gè)結(jié)構(gòu)一般并不失效，具有較高的安全儲(chǔ)備。其空中交匯的桿件既為受力桿件，又為支撐桿件，工作時(shí)互為支撐，協(xié)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(duì)稱荷載、集中荷載和動(dòng)荷載，并具有較好的抗震性能。同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度，節(jié)省鋼材。而且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組合有規(guī)律，大量節(jié)點(diǎn)和桿件的形狀、尺寸相同，并且桿件和節(jié)點(diǎn)規(guī)格較少，便于生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量高，現(xiàn)場(chǎng)拼裝容易，可提高施工速度。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了利用較小規(guī)格的桿件來(lái)建造大跨度結(jié)構(gòu)，而且結(jié)構(gòu)占用空間較小，更能有效利用空間。