組合網架在結構設計中的特點及應用

姜鐵栓　霍亮

【摘 要】組合網架是一種由鋼網架和混凝土肋板組成的空間結構體系，這種結構體系既能發揮兩種不同材料的強度優勢，又能使結構的承重和圍護功能合二為一，是近年來很有發展前景的一種結構形式。

【關鍵詞】組合網架；結構設計特點；應用

引言

空間結構一直是備受矚目的結構形式，它的主要特點就是能夠充分利用不同材料的特性，來適應各種建筑功能及造型需要，它具有重量輕、受力合理、抗震性能突出、造價低、形式活潑新穎等優點。基于這些優點，該結構在國內外得到了廣泛的應用，尤其是大跨度空間結構在現今已經成為代表一個國家建筑技術水平的重要標志之一。

當前我國空間結構中以網架結構發展最快，應用最為廣泛。我國近年來在體育館、練習房、俱樂部、展覽館、影劇院、商場、會場、食堂、候車室以及工業廠房、大型機庫、采光天井等建筑中都可以采用。網架是由很多桿件從兩個或幾個方向有規律地組成的高次超靜定結構，它的特點是空間剛度大、整體性好、又有良好的抗震性能、能適應各種不同的建筑物造型要求；同時，還具有節省鋼材，重量輕，制造和安裝方便等優點。

一、組合網架的特點

組合網架是從一般網架結構演變而來的，組合網架是將網架上弦桿改用鋼筋混凝土平板或者帶肋板來代替，下弦桿和腹桿則仍然采用鋼材，以充分發揮鋼材受拉和混凝土受壓的有利條件，使兩種不同材料充分發揮各自的強度優勢；又使結構的承重和圍護功能合二為一，既可應用于屋蓋，也可應用于樓蓋，故組合網架是今后值得廣泛發展和大范圍推廣應用的新型結構體系。

在形式眾多的空間結構中，網架結構是當前發展最快的結構形式，其中在國內外應用最為廣泛的就屬組合網架，這主要是由于它具有下列一系列的優點：

（一）結構布置靈活多樣但又有高度的規律性，便于采用，可以滿足各種建筑平面的要求。

（二）節點連接簡便可靠，便于推廣。網架節點及其部件的規格種類少，便于進行大批量生產，近年來己經逐漸的做到定型化、工廠化和商品化，不僅保證了其受力性能合理，質量可靠而且簡化了節點連接的制作與安裝。

（三）結構的分析、設計計算已經成熟，而且可以采用計算機輔助設計，大大提高了效率。

（四）各構件的加工制作機械化程度高，并且已經全部實現工廠化，這樣既能保證結構質量同時也縮短了制作時間，提高效率，凸顯優越性。

（五）經濟性很高，能用較少的材料跨越較大的跨度，組合網架可以充分利用混凝土受壓、鋼材受拉這兩種材料的強度優勢，受力性能好，節省材料。

（六）滿足建筑工業化和商業化的需要。

與普通鋼網架相比，組合網架也有其缺點，主要有以下幾個方面：

一是組合網架用作屋蓋時，由于屋面用的是混凝土材料，屬于重屋蓋體系，因此其自重比較大，不宜用于大跨度結構（>60m）；二是隨著跨度增大，鋼筋棍凝土板的受力也增大，這樣，給鋼筋混凝土板腹桿、下弦桿的設計等也都帶來了較大的困難；另外其節點處的用鋼量也比較大，加工制作的費用較一般的平面網架也高。

二、目前組合網架在國內外的應用

在80年代初期，德國的Zublin公司推出一種四角錐體系的組合網架，它的上弦節點是一塊方形鋼板，板的中部呈球缺狀，以便連接任意方向的鋼管腹桿；在鋼板的四角設有螺栓孔，孔上部呈倒錐形，孔下部有內螺紋。Zublin公司推出的這種組合網架體系曾在食堂等屋蓋結構中得到廣泛應用。羅馬尼亞在1981年設計了一幢四角錐組合網架結構的多功能體育館，該結構為斜放的四角錐組合網架結構，經過試驗研究和詳細的分析，發現該結構與傳統的鋼網架相比，用鋼量節省了大約22%，同時造價降低了1%-2%，當時便認為這種組合網架可用于屋蓋，同時可以將結構的跨度擴大到45m-50m。

我國1987年建成的新鄉百貨大樓加層擴建工程，平面尺寸34m×34m，采用斜放四角錐組合網架，這是我國首次在多層大跨建筑中采用組合網架樓層及屋蓋結構，也是我國多層建筑中最大的組合網架樓層及屋蓋結構。我國首次用于高層建筑樓層及屋蓋結構的組合網架是長沙紡織大廈，采用正放抽空四角錐組合網架，平面尺寸24m×27m，柱網分別取12m×10m，12m×7m兩種，總建筑面積約700m2，是目前覆蓋建筑面積最大的群體組合網架。跨度為20m左右的組合網架樓層和屋蓋結構，可在一般的公共和工業建筑中采用，例如，長沙歌舞劇院排練場平面尺寸為18m×21m，采用的便是正放四角錐組合網架樓層。我國在1993年建成的上海國際購物中心7、8樓層，平面尺寸為27m×27m，采用的是預應力正放四角錐組合網架，截去一個長12m的等腰三角形，選用預應力后節省鋼材32%。2009年濟南市體校新校區2號館樓蓋，是目前國內第一個樓板全現澆的預應力組合網架，平面尺寸為30m×40m，網架厚度為1.65m，采用下弦桿內布索的方式。

三、目前組合網架在結構設計中的可靠性理論

結構可靠性設計理論和方法的發展經歷得了幾個階段，包括幾何學設計法、荷載系數設計法、容許應力設計法、破損階段設計法和極限狀態設計法。

在將數學和科學應用于建筑以前，設計的準則主要是依據傳統經驗。許多準則通常是根據幾何原理給出建筑安全的限制，這便是結構最初的設計理論一幾何學設計法。這些準則通常是建立于不斷的嘗試與失敗的基礎上，基本屬于是經驗的判斷，例如梁柱尺寸也是根據經驗按照建筑物的比例而定。

隨著線彈性理論的發展，出現了容許應力法，在結構工程發展初期，采用容許應力的設計法還是比較合理的，但是由于工業的發展，結構工程中大量的采用了鋼材和混凝土，這些材料都有不同程度的塑性，因此在采用容許應力設計法時就會出現不合理的結果。這種設計方法和結構實際性能相差很大，不能正確地揭示結構工作的內在規律，現在絕大多數國家已不再使用。

隨著設計理論的發展，出現了按破壞階段的狀態進行設計的方法，即荷載系數法也稱破損階段法，這種方法考慮了材料的塑性，其設計原則是：結構構件達到破損階段時的計算承載能力R應不低于標準荷載引起的構件內力S乘以安全系數K，即：KS簇R其中這個階段安全系數通常是由經驗判斷的。從設計角度來說，破損階段法考慮了材料的塑性和極限強度，從而確定結構的最終承載力，但在可靠性方面，還是由安全系數來保證，這與容許應力法相同，也存在類似的缺點。后來隨著對荷載和材料變異性能的研究，認識到結構在使用期限內作用力以及結構的極限承載能力非定值，進而出現了極限狀態設計方法。極限狀態設計方法與破壞階段設計方法的主要區別是規定了結構的極限狀態，并用分項系數的形式代替了承載力總安全系數。

參考文獻：

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[2]沈士釗.大跨空間結構的發展-回顧與展望[J].土木工程學報，1998，vol.31，No.3