钢网架结构是由许多杆件按一定的规律通过节点组成的空间杆系结构。
网架结构按形状可分为平面网架和曲线网架,通常平面网架称为网架;曲线网架称为网壳。网壳结构为曲线网架结构,兼有杆结构和薄壳结构的特点,受力合理钢结构网架,覆盖跨度大,是国内外备受关注、半个世纪以来发展最快的空间结构,具有广阔的发展前景。网壳结构建筑造型优美钢结构网架,在建筑平面、形状、造型等方面可以给予设计师充分的创作自由。在建筑平面方面,可适应多种形状,如圆形、矩形、多边形、三角形、扇形及各种不规则平面;在建筑外观方面,可形成多种曲面,如球面、椭圆形、抛物线形屋顶等。通过曲面的切割、组合可得到各种造型的建筑;在结构方面,网壳受力合理,可实现较大的跨度。 由于网壳曲面的多样性,结构设计者可以通过精心的曲面设计,使网壳受力均匀;在施工方面,较小的构件在工厂预制,实现工业化生产,现场安装简便快捷,不需要大型设备,综合技术经济指标良好。本节仅介绍平板网架和网壳结构。
网架网壳结构是一种具有三维受力特性的空间杆件结构,能承受各个方向的作用,另外网架结构一般为高阶超静定结构,若某杆件局部失效,超静定次数仅减少一次,内力可重新调整分配,整个结构一般不会失效,具有较高的安全储备。
网架、网壳结构中的杆件既是承重杆件,又相互支撑杆件,它们协调工作,具有良好的整体性和稳定性,空间刚度较大,能有效地承受非对称荷载、集中荷载和动荷载,具有良好的抗震性能。
在节点荷载作用下,各杆件主要承受轴向拉力和压力,可充分发挥材料强度,并节省钢材。
相对于网壳而言,平网架是一种没有水平推力和拉力的空间结构,支撑结构比较简单,一般采用简支支撑即可,便于下部支撑结构的处理。网壳结构由于其结构型式,受力更加合理,可以达到更加美观的建筑外观。
网壳结构的主要缺点是杆件、节点几何尺寸的偏差、曲面的偏差对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响很大,给结构设计和施工带来一定的困难。为了减少网壳结构的初期缺陷,对杆件、节点的加工精度要求较高,加工难度较大。另外,当网壳的层高较大时,会增加建筑的屋面面积和不必要的内部空间,增加建筑材料和能源的消耗。这些问题在大跨度网壳中更为突出。
由于网架结构采用规则组合,大量杆件和节点形状尺寸相同,杆件和节点规格少,便于工厂进行批量生产,产品质量高,较容易在现场组装,施工速度快。
网架网壳结构不仅使得用较小的杆件建造大跨度结构成为可能,而且占用空间较小,可以更有效地利用空间,如在网架、多层网壳结构上下弦杆之间的空间内布置各种设备和管线。网架网壳结构平面布置灵活,可适用于矩形、圆形、椭圆形、多边形、扇形等多种建筑平面。建筑造型新颖、轻巧、壮观,表现力强,深受建筑师和业主的青睐。
由于网架、网壳结构具有上述特点,我国自1964年起,建设了大量不同类型、平面形式的网架结构,目前我国已成为网架生产大国,年生产规模和建设面积均为世界第一。
网壳结构在我国的发展和应用历史虽然不长,但发展速度很快,应用范围不断扩大。在网壳结构的选型、计算理论、稳定性分析、节点构造、加工制造、施工安装等方面做了大量工作,取得了不少成果。
由于网架结构能适应不同跨度、不同平面形状、不同支撑条件和不同功能需要的建筑,因此它不仅用于中小跨度的工业与民用建筑,而且在中、大跨度的体育场馆、展览馆、会议厅、影剧院、车站、机库、厂房、仓库等建筑中也有广泛的应用。
网架结构是空间网格结构的一种形式,网格节点多采用钢管、球形节点,网架结构一般分为四类:平面桁架体系、四角锥、三角锥、六角锥构成的网架结构。
火电厂主汽轮机厂房屋面系统通常采用方形四锥体网架。组成这种网架的四角锥体底边平行或垂直于边界,锥体满布于整个网架平面上。网架的上(下)弦杆节点即为正(倒)锥体的顶点,也可看作是倒(正)锥体底边的角点,这样上、下弦杆在同一方向的平面投影恰好形成两组平行线,为网架间距的一半。所形成的上、下弦网架通常为方形。当两个方向的弦杆长度不相等时,也可形成矩形网架。
网架结构的优点及特点:
1、在空间起作用,传力方式简单,比较适合大跨度、大柱子的网架屋盖结构。
2、结构自重轻,经济指标好。与同跨度的扁钢屋架相比,当跨度小于30m时,可节省钢材用量5~10%;当跨度大于30m时,可节省10~20%。
3、空间刚度大,结构重量小,抗震性好。
4、施工安装方便。网架杆件、节点型式少,尺寸小,运输、储存、装卸、拼装方便。
5、网架平面布置灵活,屋面系统平整,有利于吊顶、管道、设备的安装。