1、一、空间结构概述一、空间结构概述 1.1.空间结构分类空间结构分类 受自然界贝壳、蜂窝、蛛网等结构的启迪，各类空 间结构体形应用而生。在工程结构中属于空间结构范 畴的形式很多，按照结构的延伸方向分为水平向的和 竖直向的空间结构；按照结构材料分为钢、铝合金、 塑料、木结构等；而按照结构的组成特征可以分为薄 壁空间结构、网格结构、悬索结构、充气结构、蒙皮 结构、框架结构等。其中薄壁空间结构薄壁空间结构、悬索结构悬索结构、 充气结构充气结构和网格结构网格结构是当前应用于大跨度建筑的主要 结构形式。 薄壁空间结构薄壁空间结构是指结构的两向尺度远远大于第三向 尺度的曲面或折平面结构。前者称为薄壳结构，后
2、 者称为折板结构。多由钢筋混凝土浇制而成。 薄壳结构薄壳结构 折板结构折板结构 悬索结构悬索结构是由悬挂在支撑结构上的一系列高强度钢 索所组成的一种张力结构。 充气结构充气结构可以分为气承式与气肋式两类。气承式充 气结构是在薄壁覆盖的空间内充气，利用内外部的 气压差来承受荷载。气肋式的充气结构是在一定直 径的薄壁管内充气，并将这些充气管连接成构架来 承受荷载。 网格结构网格结构是将杆件按照一定规律布置，通过节点连接 而成的一种空间杆系结构。外形可以呈平板状，也可 以呈曲面状。前者称为平板网架（简称网架网架），后者 为曲面网架（简称网壳网壳）。 网壳网壳网架网架 网架网架 网壳网壳 2.2.网架
3、的特点网架的特点 网架具有以下特点： 经济性。网架是一种空间杆系结构，杆件主要承 受轴力作用，截面尺寸较小；这些杆件又互为支 撑，将受力杆件与支撑系统有机地结合起来，因 而用料经济。 安全性。由于网架是高次超静定结构，具有多向 受力的性能，固空间刚度大、整体性强、稳定性 好，具有良好的抗震性。 适应性强。网架能适应不同跨度、不同支撑条件 的建筑及厂房工程，在建筑平面形状上也能适应 正方形、矩形、多边形等，具有较强的建筑效果 。 制作安装方便。网架的杆件和接点比较单一，便 于制成标准杆件和单元，可在工厂中成批生产。 安装时可以利用大型起重设备吊装，也可以选用 千斤顶，卷扬机等小型机具。 设计计算
4、简便。目前我国已经有适用于不同类型 计算机的多种语言的计算网架结构的通用程序， 图纸较少。 二、网架的形式二、网架的形式 网架的形式很多。按照结构组成成分，有双 层和三层网架；按照网格组成情况，可分为由两向或 三向平面桁架组成的交叉桁架体系和由三角锥体、四 角椎体组成的空间桁架体系。 双层网架双层网架是由上弦、下弦和腹杆组成的空间结 构(图3a)，是最常用的网架形式。 按照结构组成划分按照结构组成划分 三层网架三层网架是由上弦、中弦、下弦、上腹杆和下 腹杆组成的空间结构 当网架跨度较大时，三层网架用钢量比双层网架用钢 量省。但由于节点和杆件数量增多，尤其是中层节点 所连杆件较多，使构造复杂，造
5、价有所提高。 平面交叉桁架体系 空间 桁架 体系 四角锥体系 三角锥体系 正方四角锥网架 斜放四角锥网架 星形四角锥网架 棋盘四角锥网架 抽空三角锥网架 蜂窝型三角锥网架 普通三角锥网架 两向正交正放网架 两向正交斜放网架 两向斜交斜放网架 三向网架 网架 平面交叉桁架体系平面交叉桁架体系由平面桁架相互交叉所组成，其上、下 弦杆长度相等，杆件类型少，且上、下弦杆和腹杆在同一 平面内。一般应使斜腹杆受拉，竖杆受压。斜腹杆与弦杆 间的夹角宜在4060之间。 1.1.平面交叉桁架体系平面交叉桁架体系 适用于建筑 平面为正方 形或接近正 方形且跨度 较小的情况 网架弦杆垂 直及平行于 边界。 两向正交
6、正放网架两向正交正放网架由两组分别与边界平行的平面 桁架互成90交叉组成。同一方向的各平面桁架 长度一致。 两个方向的杆件内力差别不大，受力较均匀。 短桁架对长桁架 有嵌固作用，受 力有利。角部产 生拔力，常取无 角部形式。比正 交正放网架空间 刚度大，受力均 匀，用钢省 两向正交斜放网架两向正交斜放网架由两组相互交叉成90度的平面 桁架组成，但每片桁架与建筑平面边线的交角为 45度。可理解为两向正交正放网架在建筑平面上 放置时转动45度。 适用于建筑平面为矩形的情况。 适用于两个方向网格尺寸不同的情形受力性能欠佳， 节点构造较复杂。 由两个方向桁架相 交角交叉而成， 形成棱形网格。适 用于两
7、个方向网格 尺寸不同，而要求 弦杆长度相等。 适合大跨度，比两向网架刚度大。 三个方向的平面桁架相 互交角60； 常用于正三角形，正六 三角形平面； 在某些平面形状会出现 不规则杆件。 空间桁架体系空间桁架体系主要由三角桁架体系、四角桁架体系和其它 桁架体系 2.2.空间桁架体系空间桁架体系 蜂窝四角锥蜂窝四角锥 斜放四角锥斜放四角锥三角锥网架三角锥网架 斜放四角锥斜放四角锥 三、网架设计简介三、网架设计简介 网架的结构形式很多，如何结合具体条件选择适 当的网架形式，对网架结构的技术经济指标、制作 安装质量以及施工进度均具有影响。影响网架选型 的因素也是多方面的，如工程平面形状和尺寸、网 架的
8、支撑方式、荷载大小、材料与建筑构造要求、 制作安装方法以及材料供应等。下表列出了各类网 架较为合适的引用范围，可以参照使用。 网架设计主要包括网架的选型，网架的几何尺 寸，网架的屋面，网架杆件，网架重量等方面的内 容，下面分别阐述。 1. 1.网架的选型网架的选型 常用网架选型表 支承方式 平面形状 跨度 网架形式 60m 斜放四角锥网架、两向正交正放网架、两向正 交斜放网架、正放四角锥网架、棋盘形四角锥网 架、正放抽空四角锥网架、蜂窝形三角锥网架、 星形四角锥网架 L1/L21.5 60m 两向正交正放网架、两向正交斜放网架、正放 四角锥网架、斜放四角锥网架 1.5L1/L22 两向正交正放
9、网架、正放四角锥网架、正放抽 空四角锥网架、斜放四角锥网架 矩 形 L1/L22 两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽 空四角锥网架、单向折线形网架 60m 三向网架、三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂 窝形三角锥网架 周 边 支 承 圆形、多边形 60m 三向网架、三角锥网架 三边支承 参照上述周边支承矩形平面网架进行选型，但其开口边可采取增加网架 层数或适当增加整个网架高度等办法，网架开口边必须形成竖直的或倾斜 的边桁架 四点支承及 多点支承 正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架 周边支承与 点支承结合 矩 形 正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架、两向正交
10、 斜放网架或斜放四角锥网架 注：1当网架跨度 L1、L2两个方向的支承距离不等时，可选用两向斜交斜放网架。 2L1为网架长向跨度；L2为网架短向跨度。 上弦杆上弦杆 网架高度网架高度 下弦杆下弦杆 腹杆腹杆 节点节点 网格尺寸网格尺寸 2.2.网架几何尺寸网架几何尺寸 网架的几何尺寸包括网格尺寸和网架高度。可以根 据跨度的大小、柱网尺寸、屋面材料以及构造要求和 建筑功能等因素确定。 网格尺寸网格尺寸与跨度有关，在很大程度上还取决于屋 面板的选用。 网格尺寸还与 网架高度有关 。 网格尺寸也应考虑通风管道等设备的设置问题。在一般 情况下，可以参照下表采用。 网架高度网架高度通常根据建筑要求、相对
11、挠度和经济要求 确定。当跨度较小时，其高度由建筑要求和管道设备 决定；当跨度较大时，高度根据相对挠度来确定；其 次，网架高跨比增大时，弦杆用钢梁减小，而腹杆用 钢量增加；反之相反。因此在相同荷载下，以网架用 钢量最省为目标确定最经济高跨比。一般按照上表采 用。 网架的节点网架的节点构造形式很多，国内常用的有焊接空心 球节点和螺栓球节点。 腹杆腹杆的布置应尽可能做到拉杆多压杆少，而且长杆 受拉短杆受压，使杆件受力合理。 3.3.网架屋面网架屋面 网架设计中屋面材料的选用直接影响用钢量及承 重结构。因此在屋盖设计中尽量采用轻质高强新型的 屋面材料，如：镀锌压型钢板；粘帖有泡沫聚合材料 或涂有聚合材
12、料薄膜的多功能压型钢板和木塑板等。 目前国内常用的屋面构造可分为有檩体系和无檩体系 两种。屋面找坡通常采用网架直接起坡和在上弦节点 上加立柱起坡。 彩钢屋面板彩钢屋面板 屋面排水沟屋面排水沟 彩钢板底部镀锌铁丝网彩钢板底部镀锌铁丝网 +铝箔铝箔+岩棉保温岩棉保温 屋面板侧面封板屋面板侧面封板 通常在钢檩条（槽钢 、角钢、Z型钢、桁架 式檩条）上铺设木塑 板（或加筋石棉 瓦），再铺防水层。 这种做法的自重大约 在100-130kg/m2 有檩体系有檩体系 另外一种做法是在 钢檩条上直接铺设 波形瓦。这种屋面 最轻，其自重可小 于100kg/m2。 通常是将屋面直接放在网架 上弦网格节点上，屋面板
13、必 须与网架的上弦节点焊接牢 靠，再在屋面板上铺设保温 层和防水。这种做法的自重 一般在150 kg/m2左。面板通 常为钢丝网水泥板、预应 力钢筋混凝土屋面板。 见图2-34所示 无檩体系无檩体系 4.4.网架杆件网架杆件 目前国内的网架杆件主要是采用3号钢和16锰钢的 钢材。杆件的截面形式主要有角钢和圆钢管两种（国 外也有用冷弯薄壁型钢）。杆件设计时主要考虑杆件 长度、容许长细比及挠度等因素。 5.5.网架节点网架节点 在网架中，节点起着连接汇交杆件、传递杆件 内力的作用。网架的节点型式很多，分类如下： 按照节点连接方式可以分为焊接节点和螺栓连接 节点两类 按照节点的构造型式可以分为焊接钢
14、板节点、焊 接空心球节点、焊接短钢管节点、螺栓球节点等。 节点连接件节点连接件 焊接空心球焊接空心球 螺栓球螺栓球 空心球空心球 螺栓连接螺栓连接 焊接钢板节点焊接钢板节点 6.6.网架设计验算网架设计验算 由于网架结构不同，固验算方法复杂多变，现阶段 一般通过电算程序辅助设计。常用电算程序为空间空间 网架结构分析设计程序网架结构分析设计程序SFCAD2004SFCAD2004。 四、网架制作四、网架制作 网架制作的方法与钢桁架基本相同。但是由于是 空间结构，所以它的精度要求也比一般的平面桁架 严格。一般地，制作由专业化单位完成。国内目前常 用的几种节点与杆件的制作方法简介如下： 1. 1.节
15、点制作节点制作 焊接钢板节点焊接钢板节点根据图纸放样，剪板机下料，适当 的方法焊接； 焊接空心球节点焊接空心球节点采用冷压或热压两种方法制作半 球，再对半球切边、破口、焊接； 螺栓球节点螺栓球节点加工精度要求高，固一般在专业化工 厂内进行； 2.2.杆件制作杆件制作 网架杆件根据设计图纸所示长度及材质要求制作。 由于建筑结构各异，各地区所受荷载不同，固杆件设 计除端部过渡锥体、螺栓采用固定标准外，其长度、 规格（钢管直径与厚度）均没有统一的标准，但随着 网架结构的广泛应用，在行业设计中一般采用较为常 见规格的无缝钢管，如（直径mm*厚度mm）： 42*3.24 、60*3.5、75.5*3.5
16、、 88.5*4.0、114*4.0、 140*4.0、 159*10.0、 219*10.0等。 杆件制作流程如下： 1.1.铣两侧端面铣两侧端面 2.2.螺孔加工螺孔加工 1.1.钢管下料钢管下料 钢管下料采用钢管下料采用HID-900MTSHID-900MTS数控管子数控管子 相贯线切割机进行下料，相贯线切割机进行下料， 2.2.锥头坯料锻造锥头坯料锻造 锥头采用圆钢下料，料块加热后模锥头采用圆钢下料，料块加热后模 锻制成，锻后要求正火处理，表面锻制成，锻后要求正火处理，表面 去除氧化皮。去除氧化皮。 3.3.锥头机加工锥头机加工 锥头锻造成型后采用铣床加工锥头锥头锻造成型后采用铣床加工
17、锥头 与杆管内壁相配合的台阶、锥头小与杆管内壁相配合的台阶、锥头小 端平面及焊缝坡口，端面端铣加工端平面及焊缝坡口，端面端铣加工 后在划线平台上画出螺孔加工线中后在划线平台上画出螺孔加工线中 心线并同时刻画出锥头组装定位及心线并同时刻画出锥头组装定位及 装夹检测中心点。螺孔加工采用数装夹检测中心点。螺孔加工采用数 控钻床加工而成。控钻床加工而成。 4.4.锥头封板组装、焊接锥头封板组装、焊接 先将高强度螺栓预置于锥头螺栓孔先将高强度螺栓预置于锥头螺栓孔 中，并采用胶片粘贴牢固，防止倒中，并采用胶片粘贴牢固，防止倒 落入锥头内部。落入锥头内部。 4.4.锥头封板组装、焊接锥头封板组装、焊接 1.
18、1.钢管下料钢管下料 2.锥头坯料锻造锥头坯料锻造 3.锥头机加工锥头机加工 封板封板 高强螺栓高强螺栓 5.5.锥头、管件组装锥头、管件组装 5.5.锥头、管件组装锥头、管件组装 锥头、管件的组装采用专用装夹夹具锥头、管件的组装采用专用装夹夹具 进行自动组装。、进行自动组装。、 6.6.杆件整体焊接杆件整体焊接 杆件装配完后，采用杆件装配完后，采用NXC-2NXC-2500KR500KR型型 网架杆件双头自动焊接机床上进行焊网架杆件双头自动焊接机床上进行焊 接。接。 7.7.杆件测量、矫正杆件测量、矫正 组装焊接完后要求在自由状态下进行组装焊接完后要求在自由状态下进行 测量，对于尺寸超差的应
19、进行矫正。测量，对于尺寸超差的应进行矫正。 8.8.冲砂涂装冲砂涂装 构件涂装前要求进行冲砂除锈处理，构件涂装前要求进行冲砂除锈处理， 9.9.杆件编号、标识杆件编号、标识 杆件涂装完后要求在醒目位置采用油杆件涂装完后要求在醒目位置采用油 漆作好构件编号标识。漆作好构件编号标识。 10.10.杆件保护、发运杆件保护、发运 构件装车时应捆扎牢固，以防止构件构件装车时应捆扎牢固，以防止构件 的油漆因损坏而脱落；高强螺栓涂红的油漆因损坏而脱落；高强螺栓涂红 油防护并用胶片粘贴牢固。油防护并用胶片粘贴牢固。 6.杆件整体焊接杆件整体焊接 旋旋 转转 胎胎 架架 （带（带 定心顶针）定心顶针） 自动焊自
20、动焊 7.杆件测量、矫正杆件测量、矫正 8. 冲砂涂装冲砂涂装 9. 杆件编号、标识杆件编号、标识 10.杆件保护、发运杆件保护、发运 3.3.防腐蚀防腐蚀 除了对节点与杆件本身采取有效的防腐措施外， 还应该对管式杆件的端部进行封闭，将节点螺栓孔 应予以填补，制作节点与下部支柱应有合理的连接 。 五、网架安装五、网架安装 是指以小拼单元或散件在高空就位拼装的方法， 适用于螺栓球节点、半螺栓球节点等非焊接节点的 各类网架。 网架的拼装从过程来说可以分为小拼和总拼两个 过程。网架结构的安装方法随着拼装方法及安装机 具选用的不同，一般可以分为散装法、分条或分块 安装法、以及整体安装法。 1. 1.高
21、空散装法高空散装法 优点：优点：不需要大型 起重设备，高空一 次拼装完毕； 缺点：缺点：现场及高空 作业工作量大，尚 需要搭设坚固的临 时支撑架。 2.2.分条或分块安装法分条或分块安装法 分条就是将空间网架沿长跨 方向分割成若干区段，而每个 区段可以是一个或多个网格， 但其长度一定是网架的短跨跨 度。分块是将网架沿纵横向分 割成若干个矩形或正方形的小 网架单元。 该种方法分为分块或分条吊 装法和分块滑移法。 分块或分条吊装法分块或分条吊装法是现 将网架在地面拼装成条 状或块状单元，然后以 起重机械吊装到高空就 位后连成整体的一种安 装方法。 分条滑移法分条滑移法是将网架分 成条状单元后，使其
22、支 撑在设于两边钢筋混凝 土梁上的滑轨上，通过 牵引使条状单元逐条从 建筑物的一端滑移到另 外一端，就位后进行总 拼装。 3.3.整体安装法整体安装法 网架在地面就地拼装整体后，随着安装机具选择的 不同，可以分为整体吊装、整体提升和整体顶升等安 装方法。 六、工程实例六、工程实例 甘肃省舟曲县喜儿沟电站发电厂房为岸边式地面厂房，主厂 房、安装间、副厂房按照“一”字形布置，主厂房左侧布置 安装间，右侧布置副厂房。主厂房长42m，安装间长19m，总 长61m。主厂房与安装间同宽，均为19.7m，屋顶结构采用网 架结构，屋面为彩钢聚苯夹芯板。场内安装永久桥式起重机 一台。该发电厂房屋顶结构分包于甘肃
23、大地建设实业有限公 司设计、加工制作及现场安装。 1.1.网架设计制作网架设计制作 网架选型：各台机组间牛腿柱作为四点支撑，且 L1/L2=2.82,选平板四角锥式螺栓球网架结构。 弦杆及腹杆：由这五种规格组成：直径*长度（ 48mm*3.5m、60mm*3.5m、75.5mm*3.75m、 89mm*4m、114mm*4m） 屋面板：960型彩钢聚苯夹芯板：厚度：75mm 檩条：门型材：20mm*20mm*50mm 节点：螺栓球 该屋顶主要由网架、檩条、彩钢屋面三部分组成，网架为主 要承重结构，平整场地中组装完成后以每个单元吊装至设计 位置。檩条安装在网架平面的顶部形成人字型坡度，便于排 水
24、。彩钢屋面用螺栓锚接于檩条上，形成整体的封闭结构。 设计与制作均有甘肃省大地实业公司承担。 2.2.网架成本估算网架成本估算 根据咨询，该网架弦杆单元面积重量为35kg/m2，弦杆为 9000元/吨；檩条单位面积重量为6kg/m2，檩条5600元/吨， （含设计费3%）弦杆及檩条安装费用均为2000元/吨；彩钢 屋面单价为150元/m2，安装费为20元/m2。 该工程网架结构总面积为61*19.7=1202（m2） 则：弦杆成本=1202*35*（9000+2000）/1000=462770元 檩条成本=1202*6*（5600+2000）/1000=54811元 彩钢屋面成本=1202*（1
25、50+20）=204340元 总成本=462770+54811+204340=721921元 3.3.施工工序简介施工工序简介 施工准备：8名工人进场，材料分类堆码，准备扳手、管钳 等小型机具。 组装单元节：在安装间或厂房外塔机可覆盖范围内平地上 组装成若干尺寸的单元节，具体尺寸根据塔机载 重和桥机上部搭设工作面宽度而定。 搭设工作平台：在厂房桥机上部搭设钢管架平台，与桥机 同长宽，顶部低设计厂房屋顶底面 10cm20cm。 工作平台工作平台 单元节吊装：用塔机将组装好的单元节吊至操作平台上后 ，对接各单元节。 平台移位：桥机移动带动操作平台移位后，安装下一组网 架，至网架全部安装完成。 檩条水槽安装：为使屋面形成人字型坡度，需要在 球型网架顶部连接檩条。人字形坡度最 低端设置排水水槽，与
