網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)的特點分析

陳放

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400020）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)的特點分析

陳放

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400020）

隨著建筑業(yè)進入快速增長時期，建筑物也朝著高度更高、體量更大發(fā)展，而鋼結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架結(jié)構(gòu)因其具有跨度大、自重較輕的特點，越來越廣泛的應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的概述

目前通常將平板型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架，將曲面型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)殼。為保證足夠的剛度，網(wǎng)架一般設(shè)計為兩層，在某些特殊情況下也可以做成三層。網(wǎng)架由于其良好的空間特性和高度的工業(yè)化生產(chǎn)特點，全能性地適用于大、中、小跨度的屋蓋體系。

網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)重量輕，剛度大，整體效果好，抗震能力強，是高次超靜定空間結(jié)構(gòu)，采用很多桿件沿兩個或多個方向有規(guī)律地組成，能夠承擔(dān)由各個方向傳遞來的荷載，它改變了一般的平面桁架的傳力方式及其受力體系。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適用于各種跨度的建筑，既適用于大跨度的房屋和廠房，也適用于中小跨度的建筑結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)、桿件、節(jié)點的生產(chǎn)上可實現(xiàn)規(guī)格化，這對實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)是非常有利的，也對提高工程質(zhì)量和加速工程進度是有很大好處的。通過多年的實踐與發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出通用的計算機計算程序可對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行相關(guān)計算及深化設(shè)計，且繪制圖紙比較簡單，加上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工所具有的特點和優(yōu)越性，也對發(fā)展我國網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提供了有利的條件。

1.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點

（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的特點是各根桿件之間的互相支撐作用，其整體性好，剛度比較大，抗震能力也較強，而且如果地基基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，其所帶來的不利影響結(jié)構(gòu)也能夠承受住[1]。

（2）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定的空間結(jié)構(gòu)，是由很多桿件沿兩個方向，或者沿多個方向按一定規(guī)律的組合而成，能夠承受來自各個方向的荷載，它與一般平面桁架的受力傳力體系是不同的[1]。

（3）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自身重量比較輕，在鋼材的用量上比較節(jié)約。跨度在30m以上時明顯比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材，在軟土地基上使用網(wǎng)架更為有利。如已建成的天津市科學(xué)宮，網(wǎng)架平面尺寸×網(wǎng)架高：14.84m×23.32m×1.0m，用鋼量僅為6.3kg/m2。

（4）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的適用性大，對工業(yè)與民用公共建筑，可采用中小型跨度，也可采用大跨度。從建筑物平面的形式來講，可采用圓形（上海體育館）、矩形（北京體育館）、馬鞍形（上海體育館）、扇形（上海文化館）、飄帶形（廣州奧林匹克中心）、魚形（廣州會展中心）等。

（5）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在鋼材的選取上比較方便，一般多采用Q235鋼或Q345鋼，桿件多采用無縫鋼管、高頻焊管或其他型鋼。

（6）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于它的桿件、螺栓球、焊接球、錐頭、高強螺栓等已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，適于工廠化生產(chǎn)。

（7）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計算已有通用的計算機計算程序和軟件，具有制作施工圖、查看內(nèi)力、作材料表和安裝圖等的功能，給網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有利的條件。

1.3 網(wǎng)架的選型

1.3.1 兩向正交正放網(wǎng)架

兩向正交正放網(wǎng)架由兩個方向的桁架交叉組成。“正交”就是兩個方向的桁架相互交叉成直角，“正放”就是兩個方向的桁架分別與建筑物的邊界平行。這種網(wǎng)架剛度較差，適用于正方形的建筑平面，跨度以30～60m的中等跨度為宜。

1.3.2 兩向正交斜放網(wǎng)架

“斜放”就是兩個方向的桁架分別與建筑物的邊界成450角。兩項正交斜放網(wǎng)架由于短邊桁架對長邊桁架起到了支撐作用，因此其剛度較兩向正交正放網(wǎng)架大，使用于60m以上的中、大跨度項目。

1.3.3 錐體網(wǎng)架

前面兩種網(wǎng)架都是由平行弦桁架相互交叉組成，故屬于交叉桁架體系網(wǎng)架。錐體網(wǎng)架是由三角錐、四角錐或六角錐的錐體單元組成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，故屬于角錐體系網(wǎng)架。錐體網(wǎng)架因不是析架交叉組成，故網(wǎng)架的上、下層網(wǎng)格之間設(shè)有豎向腹桿。上、下層網(wǎng)格之間的腹桿，也就是錐體的棱角斜桿。

正放四角錐網(wǎng)架的底邊相連成為網(wǎng)架的上弦桿，錐尖的連桿為網(wǎng)架的下弦桿，上、下弦桿平面錯開半個網(wǎng)格，錐體的棱角桿件為腹桿。正放四角錐體網(wǎng)架桿件內(nèi)力比較均勻，當(dāng)為點支承時，除支座附近的桿件內(nèi)力較大外，其他桿件的內(nèi)力也比較均勻，屋面板規(guī)格比較統(tǒng)一，上、下弦桿件等長，無豎桿，構(gòu)造比較簡單。四角錐體網(wǎng)架適用于平面接近正方形的中、小跨度周邊支承的建筑，也適用于大柱網(wǎng)的點支承、有懸掛吊車的工業(yè)廠房和屋面荷載較大的建筑。

2 空間管桁架結(jié)構(gòu)

2.1 空間管桁架結(jié)構(gòu)的概述

近年來在大跨度空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中管桁架結(jié)構(gòu)得到了前所未有的廣泛的發(fā)展。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架結(jié)構(gòu)體系的區(qū)別主要是在連接方式上它們的節(jié)點是不同的：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點一般采用螺栓球或空心球作為連接點；而空間管桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點則通常采用直接焊接的相貫節(jié)點作為連接點。在空間管桁架結(jié)構(gòu)的相貫節(jié)點位置，只有在同一軸線位置上的兩個主管才可貫通，其余桿件直接焊接在主管的外表面上，并通過端部相貫線切割。相貫線的切割以前是技術(shù)難度較高的制造工藝，但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，這些難度已經(jīng)被克服。

空間管桁架結(jié)構(gòu)具有外觀簡潔、線形流暢的外觀效果，其空間造型也比較多樣，廣泛用于門廳、航站樓、體育館、會議中心和展覽中心等建筑。

2.2 空間管桁架結(jié)構(gòu)的特點

2.2.1 空間管桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

（1）由于在節(jié)點連接的處理方式上，空間管桁架結(jié)構(gòu)采用直接焊接各根桿件，摒棄傳統(tǒng)的連接方式，因而具有施工簡便，節(jié)省鋼材的優(yōu)點。

（2）節(jié)點連接方式比較簡單。

（3）結(jié)構(gòu)外觀簡潔、線形流暢、空間造型多樣化。

（4）所采用的鋼管管壁比較薄，截面有比較大的回轉(zhuǎn)半徑，因而擁有較好的抗壓和抗扭性能，從而結(jié)構(gòu)整體剛度比較大，其幾何特性比較好。

（5）鋼管與大氣接觸的表面積比較小，節(jié)點處各根桿件又是直接焊接，無積留濕氣和大量灰塵的死角或凹處，便于清刷、油漆，維護和防銹；并且管形構(gòu)件對端部及全長范圍內(nèi)作封閉處理后，在其內(nèi)部是不易生銹的[2]。

（6）從流體動力學(xué)角度來講，圓形管截面的管桁架結(jié)構(gòu)其性能是有優(yōu)勢的，在風(fēng)力或水流等荷載作用下，圓管結(jié)構(gòu)比其它截面形式的結(jié)構(gòu)其荷載作用效應(yīng)要低得多[3]。

2.2.2 空間管桁架結(jié)構(gòu)的局限性

然而，空間管桁架結(jié)構(gòu)對其生產(chǎn)和施工工藝以及加工的設(shè)備是有一定要求的，這主要是由于其采用相貫焊接的節(jié)點，因而空間管桁架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用上也存在一定的局限性。

（1）加工和放樣相貫節(jié)點的工藝比較復(fù)雜，手工切割很難做到其相貫線上的坡口變化，因此一般采用機械加工，且要求施工單位配備數(shù)控的五維切割機床設(shè)備，對機械加工的工藝要求也很高。由于工藝精度的需求以及材料自身的質(zhì)量問題(例如鋼管不夠圓)，易導(dǎo)致相貫線不能滿足施工要求，那么施工中就只好在高空進行修補，造成安全問題，也延誤了工期。

（2）空間管桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點一般采用焊接方式，需要在焊接時控制其收縮量，對焊縫的質(zhì)量要求也比較高，因是現(xiàn)場焊接，所以相對來講其工作量也比較大。

（3）在用鋼量上空間管桁架結(jié)構(gòu)往往比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大。對于不同內(nèi)力的桿件，應(yīng)采用不同壁厚但相同外徑的鋼管，壁厚不宜有太多的厚度變化，在弦桿方向上相貫節(jié)點應(yīng)盡可能使用同一外徑的鋼管作為桿件，不然各鋼管間的拼接會比較復(fù)雜，其拼接數(shù)量也太多。從而造成鋼材用量的增加，也不能充分發(fā)揮材料的強度。

2.3 空間管桁架結(jié)構(gòu)的主要類型

空間管桁架結(jié)構(gòu)按照構(gòu)件的截面形狀可以分為矩形管桁架和圓形管桁架。作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，矩形鋼管具有節(jié)點處桿件平直切割的便利和彎曲性能好的優(yōu)點，在發(fā)達國家得到了廣泛應(yīng)用。直接焊接節(jié)點矩形鋼管不需要加勁板、節(jié)點板，使得節(jié)點用鋼量減少，節(jié)點形式變得簡單明了，構(gòu)件在連接上更為方便，在建筑美學(xué)表現(xiàn)上也更好[4]。而圓鋼管的優(yōu)點除了具有較高的慣性半徑及有效的抗扭截面外，還具有其表面沒有凹凸角，在外形上對空氣動力也是有利的。圓管結(jié)構(gòu)的制造在成本上要比矩形管結(jié)構(gòu)的制造費用高。如果弦桿與支桿相比較，其太小相差不大，并且支桿直接與弦桿焊接時，支桿端部需沿相貫線進行切割，管端部的坡口也需沿管周邊進行變化以方便焊接。半自動或手工對圓管的相交線切割要比矩形管的直線切割費用高很多[4]。

目前在國外，由于以上的種種原因，圓管沒有矩形管應(yīng)用廣泛，工廠的加工存貨也較少，因而材料的準(zhǔn)備時間比較長。在結(jié)構(gòu)中，如在桁架上部弦桿上放置其它結(jié)構(gòu)或板條，矩形管則具有很好的連接表面，用以支撐這些結(jié)構(gòu)。將支撐結(jié)構(gòu)焊接到圓管上比焊接到矩形管上要復(fù)雜得多[4]。在選取材料時，另外一個需要注意的因素是矩形管更便于運輸和存放，這是在又一個重要方面矩形管比圓管好。

最常見的空間管桁架形式是空間三角形桁架。這種結(jié)構(gòu)造型美觀，安裝方便，穩(wěn)定性好，與網(wǎng)架相比，三角形空間桁架省去了下弦縱向桿件，建筑形式也比空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更靈活多樣，所以應(yīng)用也比較多。

表1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與管桁架結(jié)構(gòu)的對比分析

責(zé)任編輯：李紅

3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)的對比分析（見表1）

4 結(jié)論

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)既有聯(lián)系也存在區(qū)別。聯(lián)系在于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對豎向力的傳力是兩向或者三向的，若將連續(xù)的網(wǎng)架抽空變成單向連續(xù)的網(wǎng)格，那么結(jié)構(gòu)就轉(zhuǎn)化成了空間管桁架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（不考慮結(jié)點差異）。網(wǎng)架與空間管桁架的重要區(qū)別在于其各自不同的節(jié)點構(gòu)造，網(wǎng)架桿件靠螺栓球或焊接球連接，而空間管桁架則是相貫焊接。

網(wǎng)架的空間性體現(xiàn)在整體方面，受力特性猶如一塊板，其空間性是整體的；管桁架的空間性是體現(xiàn)在構(gòu)件層次上的。至于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架的用鋼量比較，這方面影響因素較多，比如支承條件，建筑外形，荷載大小等，需要具體問題具體分析，如建筑外形長寬比較大的建筑更加適用空間桁架結(jié)構(gòu)，外形長寬比較小的建筑適合多向傳力較為均勻的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

[1]楊際梅.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與管理研究[D].天津：天津大學(xué)，2006

[2]范小平.預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)形式研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2010

[3]武鵬.缺陷對管桁架結(jié)構(gòu)工況影響分析[D].西安：長安大學(xué),2008

[4]蘇銳.直接焊接方管桁架支桿計算長度系數(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005

Analysison the CharacteristicsofGrid Structureand Space Tube Truss

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架結(jié)構(gòu)作為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要類型，是空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，該文將對其各自的結(jié)構(gòu)特點進行研究分析。

螺栓球；焊接球；相貫節(jié)點

As themain types of space grid structure,grid structure and space tube truss are themostwidely used structure types in space structure.Research and analysison thestructural characteristicsof the two typesare introduced in thispaper.

boltball;welding ball;tubular joints

TU356

A

1671-9107（2012）06-0014-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.06.014

2012-05-20

陳放（1976-），男，重慶萬州人，大學(xué)本科，工程師，主要從事建筑物的檢測和鑒定工作。