網架結構設計體會

龔麗敏

(西山煤電集團設計院，山西太原 030053)

隨著社會發(fā)展和工程建設的需要、生產的標準化和工廠化的提高，以及電子計算技術的普及應用，空間網架結構在我國得到迅速發(fā)展，它受力合理、空間剛度大、整體性強、制作安裝方便、造價較低，被廣泛應用于工業(yè)廠房及各類大中跨度的公共建筑，如體育館、展覽館、大型商場、車庫、飛機庫等等。本文根據自己的工作實踐總結了一些設計經驗，提出粗淺的看法，由于水平有限，錯誤在所難免，請大家包涵。

1 網架結構的選型

網架的網格單元分為三大類:

1)交叉桁架體系:常見有兩向正交正放、兩向正交斜放、兩向斜交斜放、三向、單向折線形。

2)四角錐體系:常見有正放四角錐、正放抽空四角錐、棋盤形四角錐、斜放四角錐、星形四角錐。

3)三角錐體系:常見有三角錐、抽空三角錐、蜂窩形三角錐。

網架的支承情況一般有周邊支承、點支承、三邊或兩邊支承等形式。

網架的選型主要根據工程平面形狀、尺寸、屋面荷載及構造以及材料供應情況等綜合分析確定。表1給出了各種支撐情況及平面形狀下適宜的網架類型。

2 網架結構的材料選擇

2.1 材料選擇

空間網架結構大多數采用鋼材，主要是Q235B鋼或Q345鋼，一般網架結構采用Q235B級鋼即可。大跨度網架結構中主要采用Q345鋼。焊接球、封板、錐頭同樣可采用Q235B級鋼或Q345鋼，其鋼號宜與桿件統一。高強度螺栓采用40Cr鋼較好，螺栓球宜采用45號鋼。

2.2 材料強度取值

鋼管在出廠時難免存在結構缺陷，所以在設計時常將鋼材設計強度乘以折減系數0.9，不銹鋼材料設計強度取值在此基礎上再乘以折減系數0.9。如果網架中同時存在不銹鋼，有兩種計算方法可供選擇:第一，將不銹鋼桿件附近的Q235B鋼或Q345鋼桿件截面按不銹鋼桿件材料設計。第二，網架中不銹鋼部分均采用Q235B鋼或Q345鋼外包不銹鋼形式，材料強度依然按Q235B鋼或Q345鋼取值。

3 桿件設計

3.1 桿件截面設計

網架結構的桿件截面形式有圓形鋼、方形鋼、軋制型鋼、冷彎薄壁型鋼等。其中圓形鋼截面光滑，端部密封之后具有較好的防腐性，它各方向慣性矩相同，回轉半徑大，對受壓受扭均有利，其受力性能比其他形式截面要好，在網架結構設計中被廣泛采用。

圓形鋼按制作方法可分為高頻焊管和軋制的無縫鋼管兩種，高頻焊管價低壁薄，在設計中對于壁厚5 mm以下圓鋼管宜優(yōu)先采用高頻焊管。壁厚5 mm以上鋼管多采用無縫鋼管。高頻焊管屬于b類截面，無縫鋼管屬于a類截面。在λ相同情況下，a類截面的桿件軸心受壓穩(wěn)定系數比b類截面大，設計中應嚴格區(qū)分桿件的截面類別。

網架桿件通常均按軸心受力構件設計，對于網架下弦荷載(如吊頂或馬道等)應將其構造設計為可以將荷載直接傳到網架的節(jié)點上，否則下弦桿需要按拉彎構件進行設計，并且要提高螺栓的抗剪承載力。

3.2 桿件長細比控制

在網架支座附近的桿件，其受力較復雜，拉壓性質有可能發(fā)生變化，因此建議其長細比限值都取［λ］=180，這樣可以有效保證其剛度的連續(xù)性。

3.3 桿件及螺栓的調整

網架結構屬于超靜定結構，其可靠性要強于平面結構。僅個別桿件破壞一般不會導致整體倒塌。例如，陜西省體育館網架在一次事故中，個別桿件溫度高到700℃，已退出工作，但整體仍未倒塌。但是，如果設計錯誤，施工質量太差，同樣的情況也會發(fā)生倒塌。天津地毯倉庫48 m×72 m網架及內蒙玻化車間20 m×36 m網架倒塌事例便印證了這一結論。因此，對于大跨度空間網架結構，相鄰桿件截面應進行人工調整，避免相差過于懸殊，桿件計算要采用彈性計算方法，受壓桿件的長細比要留有富余，以利于桿件內力重分布。

桿件截面需要調整時，應重新進行分析，使其滿足設計要求為止。網格結構設計后，桿件不宜替換，如必須替換時，應根據截面及剛度等效的原則進行。在桿件代用中，盲目以大代小的觀念是危險和錯誤的，桿件斷面的局部加大在引起桿件變形減小的同時也會造成桿件內力的性質和大小的變化，存在著不安全隱患，因此桿件代替以大代小要經過設計驗證來確定。

在SFCAD軟件中，當支座附近的桿件受力性質發(fā)生變化，壓桿變拉桿后小螺栓常常會被拉斷。而在MSTCAD軟件中，針對此問題對不同管徑匹配了最小螺栓。

4 支座選型及設計

4.1 支座選型

網架支座構造應符合設計要求。壓力支座能限制轉動與滑動，常用于中小跨度網架。橡膠支座不會生銹，可以雙向變形，氯丁橡膠支座及經過外包聚氨酯或酚醛樹脂以及環(huán)氧玻璃布保護的橡膠支座抗老化能力較強。即便是老化的橡膠支座不但可以承受壓力，而且在活荷載作用下發(fā)生的轉角，網架也能承受。

橡膠支座造價一般不超過球鉸支座價格的15%，在設計中支座反力300 t以內的網架支座應盡可能采用橡膠支座。

4.2 支座設計

網架支座的假定應與實際構造相符合。SFCAD軟件中要求輸入其彈性剛度。如果在設計中不區(qū)分獨立柱支承、圈梁支承等等而簡單地輸入程序默認值，會使網架設計錯誤。MSTCAD軟件則將網架與下部結構共同輸入計算，較好地處理了該問題。網架支座的設置部位及個數的確定是以保證所有支座均受壓力為原則。

下弦支承的網架支座均取消下部的基準孔，在上部留φ14孔深度30 mm的基準定位孔，支座立板的上部留成圓弧形，構造詳見圖1。

圖1 基座底板及立板設計

5 網架的抗震設計

按規(guī)范要求，僅對于周邊支承的中小跨度網架屋蓋結構，可不進行水平抗震驗算;對于抗震設防烈度為9度地區(qū)，各種網架結構均須進行水平與豎向抗震驗算。

兩向正交正放網架上、下弦的方形網格，屬于幾何可變體系，在周邊網格內增加水平支撐，可以保證其整體的幾何不變性，有效承受荷載內力，如圖2所示。

圖2 正交正放類網架水平支撐設置

在地震作用下網架結構周邊桿件內力性質常常會發(fā)生改變，因此在周邊2～3網格區(qū)格內桿件的允許長細比均應按壓桿考慮，不應大于180。

6 結語

在網架結構的設計中，計算機大大提高了設計速度。但是，一個優(yōu)秀的網架設計不單單是高速度設計，網架結構概念設計的正確運用，及考慮施工工藝因素等的合理儲備，同樣是不可忽視的。

［1］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［2］JGJ 7-91，網架結構設計與施工規(guī)程［S］.

［3］丁蕓孫.目前網(殼)架工程中一些技術問題探討［J］.建筑結構，2001，31(6):64-68.