空间网架结构设计浅析

摘要：随着空间网架结构的应用越来越广泛，网架设计已经成为工程师提升 自身设计水平及竞争力的必备能力之一。本文以实际工程案例作为对象对空间网 架的设计，计算以及施工要点进行简要的阐述和分析。关键词：空间网架 设计 施工前言：近些年随着行业技术的发展及建筑多样化需求的增长，大跨度结构的 应用逐渐增多，尤其是以公共建筑为主，大跨度屋面不仅要保证在地震作用和风 作用下的结构安全性，同时要能发挥体现建筑风格的功能，并兼具排水甚至采光 等一系列建筑功能，同时要具备较高的经济效益，复杂屋面设计还要能够保证施 工的顺利进行；大型公共建筑因为大空间，密集人员交通疏散等建筑功能的需要 采用厚重的钢筋混凝土结构往往达不到理想的效果，空间网架结构通过多年的发 展很好的满足这类空间建筑的需求，并得到了广泛的推广。网架结构是一种空间网状杆系结构，由多根杆件按照一定的网格形式通过节 点连接在一起形成的空间受力结构，其往往具备较小的尺寸单元以及相似风格的 网格；通常情况下，平板网架简称为网架，曲面网架简称为网壳。空间网架结构是一种具备三维受力特点的高次超静定结构，除关键杆件外局 部单个杆件的失效由于具备一定的超静定次数可引起内力重分布而使结构继续承 担荷载，因此具备较高的安全储备。网架结构的节点一般假定为铰接，在承担外 部荷载作用力时，能将所受荷载传递至所有杆件并将这些荷载均匀的分配到空间 结构的支座。平板型网架和双层壳型网架的杆件分为上弦杆，下弦杆和腹杆，主 要是拉压杆，仅承担拉力和压力，充分利用材料的物理性能；单层壳型网架的杆 件除承受拉力和压力以外还承受弯矩和切力，此时节点不再是单纯的铰接节点而 且具备一定的刚度来承担弯矩和变形；腹杆一般相对于弦杆截面较小，作为支撑 杆件，对结构整体稳定起到一定的作用。1. 设计背景本工程为某地一中学综合楼，地上四层，地下一层，建筑高度16.8米，顶 层作为运动场，屋面采用网架结构。结构设计使用年限为50年，建筑结构安全 等级为二级，抗震设防类别采用乙类，所处地区为抗震设防烈度7度区，地震加 速度O.Ig，第一组，场地类别为II类场地，特征周期0. 35s，框架结构，按政 策相关要求，学校医院等乙类建筑抗震等级按所属地区抗震设防烈度提高一度确 定，框架抗震等级为二级，计算地震作用加速度采用0.1G，所处场地地面粗糙类 别为B类，基本风压0.55KN/基本雪压0.50KN/皿；根据地勘报告项目所在场地为抗震一般场地，无不良地质作用。2. 结构选型顶层运动场横向柱网8700x3 ,纵向柱网7500x7,采用正放四角锥双层网架, 单元格形状尽量采用相同或者相近尺寸，使网格受力尽量均匀相近，并通过试算 复核网架杆件尽量合理，正方形或者接近正方形的网架也可以使网架的高度尽量 减小，一般网架高跨比可取1/151/18左右，本方案结合建筑净高要求采用1.6 米高，在满足建筑净高的条件下，优先采用了上承式支座设计（如果建筑净高要 求限制严格，也可采用下承式设计提高建筑净高）。图1 网架平面结构布置网架杆件的截面在目前常用的设计分析软件中均提供了材料库，设计人员可 在材料库中按项目所允许采用最小构造杆件截面定义所有杆件，在后续设计中可 通过优化校核来调整杆件满足强度应力比以及稳定性，采用材料库中的截面可以 优先满足工厂加工条件，如果有特殊需要视具体项目而定。本项目按照甲方供材 并结合本地区采购条件采用杆件截面：060x3.5, 075.5x3.75, 088.5x4, 0114x4, 0140x4, 0140x8, 0159x6均为材料库提供且符合国家相关图集的标准尺寸。3. 计算分析一般网架屋面均采用轻质屋面板,节约自重的同时便于施工安装,并且能够满足建筑的造型需要，上弦恒荷载考虑屋面板以及安装零部件采用1.2KN/m2，下 弦恒荷载考虑吊装荷载按0.5KN/ m2,网架结构属于钢结构屋面，对风、雪荷载 都较为敏感,因此屋面活荷载根据规范要求按不上人屋面和雪荷载（宜按相关年 限取值乘以增大系数）取大值并同时考虑积雪不均匀分布系数,风荷载按规范要 求乘以不小于1.1的增大系数。本项目所处7度区,仅考虑水平地震验算。网架 纵横向跨度均较大,温度应力不可忽略,同时应考虑温差变化产生的内应力进行 包括设计,并按照相应的构造要求进行设计。常规网架计算应力比上限为0.9甚 至是0.85,为设置一定的安全储备,通过校核计算,大部分腹杆及弦杆周边除支 座腹杆以外均采用的060x3.5截面即可以满足设计需要，截面尺寸较大杆件均作 为连系支座,或者应力较大区域,支座腹杆等主要受力杆件,即为关键杆件。通过内力云图及变形云图观察计算分析结果,基本符合平板式屋面板的内力 分布趋势及变形规则,因此判断计算结果是在合理的假定条件下基本式符合实际 受力状态的。在网架的设计中,支座的设计尤为重要,本项目纵向支座均设置于 框架柱顶部,横向支座由于仅有3跨,无法满足横向支座数量,因此个别支座设 置在框架梁之上，设计强度原则框架柱框架梁支座网架，此外考虑温度应 力影响,材料自身会发生热胀冷缩而产生多余的杆件内应力,因此在适当位置可 采用滑动支座来释放位移约束，减少次应力的产生，鉴于本项目网架规格属于中 小型网架，通过计算温度应力并不作为主控工况，考虑滑动支座的成本，本项目 采用固定支座并采用椭圆形螺栓孔的方式来应对温度应力及变形的影响，仅通过 有限的位移来释放温度应力。4. 施工空间网架由杆件构成，大部分零件已在工厂加工完成，运到场地进行组装， 安装方法根据结构类型，受力和构造特点，在保证质量、安全的前提下，结合进 度、经济和施工现场技术条件综合确定。包括高空散装法，分条或分块安装法， 滑移法，整体吊装法，整体提升法，整体顶升法等。本项目属于中小型空间网架 采用螺栓球节点整体吊装法，螺栓球节点现场组装，通过高强螺栓机械拼装避免 人工焊接，节省人力及物力成本，加快施工速度。施工顺序为场地整平f临时支 架安装f网架材料装备f网架组装f网架吊装f网架安装就位，施工前按钢结构 工程施工质量验收规范对管、球加工质量进行成品件验收。整个施工过程在采取 安全及环保措施的基础上需严格遵循质量控制的原则，精准拼接，组装到位，点 焊牢固。5. 结语空间网架结构整体受力性能优越，空间稳定性强，刚度大，利用小规格杆件 通过充分发挥材料强度承担较大跨度的荷载同时间能够有效利用空间，规则的单 元形状及大量截面尺寸相同的杆件，相同规格的节点零件便于工厂加工生产，现 场安装拼接，极大提高生产施工效率。通过不断的设计实践及技术创新，会有越 来越多的空间网架结构形式应用于实际建筑并以不同的姿态展现在人们的眼前。