网架结构可制成平面网架或空间网架。此类结构具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点,因而经常作为大型公共建筑的内部结构体系,如体育馆、影剧院、展览馆、候车厅、体育场雨篷、飞机库、大跨径车间的屋盖结构。其缺点是汇交于节点上的杆件数量较多,制作安装复杂。
利用钢或其他金属杆件按照一定形式通过节点联结而形成网状的结构,可制成平面网架或空间网架。
网架结构可制成平面网架或空间网架。此类结构具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点,因而经常作为大型公共建筑的内部结构体系,如体育馆、影剧院、展览馆、候车厅、体育场雨篷、飞机库、大跨径车间的屋盖结构。其缺点是汇交于节点上的杆件数量较多,制作安装复杂。
按不同的标准可对网格进行不同的分类。①按照结构空间几何形态:可分为平面网架结构、空间网架结构。
平面网架结构指所有杆件的轴线基本位于同一平面内,结构受力具有显著的平面内受力的特点。空间网架结构指所有杆件的轴线不在同一平面内,属于空间结构,结构受力具有空间复杂受力的特点。②按网架本身的构造可分为:单层网架、双层网架、多层网架。
单层网架结构是指网架结构的基本单元分布在一个标高区域的情况。主要适用于跨度很小的情况,一般不大于30米。双层和多层网架指网架结构的基本单元分布在两至三个标高区域的情况。适用于跨度特别大的情况,一般指大于100米的情况。
③按建造材料分为:钢网架、铝网架、木网架、塑料网架、钢筋混凝土网架和组合网架。其中钢网架是用钢管桁架或角钢桁架作为受力主体的网架结构;铝网架是用铝合金杆件作为受力主体的网架结构;木网架是指用木质杆件作为受力主体的网架结构;塑料网架是指用塑料杆件作为受力主体的网架结构;钢筋混凝土网架是指用钢筋混凝土材料作为受力主体的网架结构;组合网架是指在不同位置上用钢、铝、木、塑料、钢筋混凝土等两种以上材料作为结构主体的网架结构。
④按支承情况可分为:周边支承、四点支承、多点支承、三边支承、对边支承以及混合支承形式。
周边支承:网架结构的周边边界上网架交汇节点处均为支座节点,支座节点可支承在柱顶上,也可以支承于联系梁上,即所有周边节点均受到支承的网架结构成为周边支承网架。这种支承,传力直接、受力均匀,是采用最普遍的一种结构形式。
三边支承:网架结构同一侧的四条边中,将三条边上的所有网架交汇节点作为支座节点,将其支撑在柱顶或联系梁上。形成有三边支承的网架结构。
对边支承:网架结构同一侧的四条边中,将两对边上的所有网架交汇节点作为支座节点,将其支撑在柱顶或联系梁上。形成有两对边支承的网架结构。
四点支承:网架结构的周边边界中,选取最适宜位置的网架交汇点作为支座节点,这四个支座节点支撑在柱顶。形成只有四个节点支承的网架结构。在常见的小跨径结构中,这是最常见的一种结构形式。
多点支承:网架结构的周边边界中,选取网架交汇点中的多个节点作为支座节点,将其支撑在柱顶。形成有多个节点支承的网架结构。
混合支承:实际的网架结构的周边边界,可能支承载在柱顶、横系梁等不同结构上,因而部分采用点支承、部分采用边支承的形式,从而结合起来,进而形成混合支承的形式。这样可以满足大柱网工业厂房、仓库、展览馆等多种形式的工业民用建筑与公共建筑(图1)。
a.周边支撑网架;b.点支承网架;c.周边与点相结合支承d.三边支承一遍开口或两边支承两边开口网架图1 按照支承形式划分的网架结构
⑤按网架结构单元的组成方式不同,可将网架分为四大类:交叉桁架体系网架、三角锥体系网架、四角锥体系网架、六角锥体系网架等。
交叉桁架体系网架:由两组或三组平面桁架在空间的两个方向上汇交组成的网架结构,称之为交叉桁架体系网架。是在交叉梁的基础上发展和演变而来。这类网架的上、下弦杆等长。交叉桁架体系又分为:两向网架和三向网架。
三角锥体系网架:其基本单元是由4根杆件空间围合成一个倒置的正四面体(也即三角锥体),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。多个正四面体围合形成平面任意形状的网架结构,通常又可细分为:普通三角锥、抽空三角锥、蜂窝三角锥等几种形式(图2)。
四角锥体系网架:此类网架的上下弦均为正方形(或接近正方形的矩形)网格,相互错开半个,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。此类网架又可细分为五种形式:正方四角锥网架、正方抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、星形四角锥网架。棋盘形四角锥网架等(图3)。
a.正放四角锥网架;b.正放抽空四角锥网架;c.斜放四角锥网架;d.星形四角锥网架;e.棋盘形四角锥网架图3 四角锥体系网架
六角锥网架是由六角锥单元和连接锥顶的杆件组成。六角锥单元可以正放,也可以倒置。网架的上下弦网格呈三角形或六边形。由于节点汇交杆件较多,构造复杂,应用较少(图4)。
在以上分类中,其中第⑤种分类方法是较为常用的一种分类方法。
从结构力学的角度分析,网架结构属于高次超静定结构。过去一般采用简化分析解决,如经常采用交叉梁系差分分析法、比拟板法等进行内力、位移计算。近现代以来,结构体量日益庞大,构造杆件为数众多、受力复杂,因而一般采用杆系有限元法进行计算分析。计算中,往往假定节点为铰接,同时将外荷载按静力等效原则作用在节点上,从而确定其承受的轴力及最大的位移。
对网架结构进行结构设计时,其杆件截面应根据强度和稳定性计算确定。为减小压杆的计算长度增加其稳定性,可采用增设再分杆、支撑杆等措施。此外,用钢材制作的板型网架及双层壳型网架的节点,主要有十字板节点、焊接空心球节点及螺栓球节点等三种形式。十字板节点适用于型钢杆件的网架结构,杆件与节点板的连接,采用焊接或高强螺栓连接。空心球节点及螺栓球节点适用于钢管杆件的网架结构。单层壳型网架的节点应能承受弯曲内力,一般情况下,节点的耗钢量占整个钢网架结构用钢量的15%~20%。应在设计中予以充分考虑。
由于网架结构由众多杆件组成,因而其施工方法可分为两类:一类是在地面拼装的整体顶升法、整体提升法和整体吊装法;另一类是高空就位的散装、分条、分块就位组装和高空滑移就位组装。