大跨度網架結構設計

張英會

（河北寰球工程有限公司，河北涿州072750）

1 引言

在空間結構類型中，網架結構的使用比較廣泛，在一些大、中以及小跨度建筑中都比較適用。網架結構主要包括單層、雙層以及多層等類型。其中，雙層結構比較常用。如果跨度較大（大于或等于100m 時），可以使用3 層網架。網架結構與其他的一些空間結構相比較具備獨特的優勢，因此，其使用范圍非常廣泛。

2 網架結構的選擇

網架結構屬于空間鉸接的桿結構，不允許出現幾何形變。因此，對網架結構進行選擇時，要考慮結構的幾何可變性。三角和四角錐是網架結構中常用的幾何不變單元。當前，國內外很多網架結構都使用了三角形金字塔單元和四邊形金字塔單元。

網架的類型較多，在使用過程中要和具體項目相結合，然后合理選擇結構類型。在選擇網架類型的過程中，需要綜合考慮建筑物的平面尺寸、荷載、形狀、支撐方法、屋頂結構，遵循經濟實用原則等。在正常情況下，應多選擇幾種結構形式進行方案設計，然后進行方案比選，最終確定最佳方案。在優化設計的過程中，不僅需要考慮鋼材的使用量，還要考慮綜合性經濟指標，比如，桿以及接頭之間存在的成本差異，屋面材料以及圍護結構的安裝成本等。從材料消耗的角度來講，如果平面接近正方形時，可以僅在對角放置四角錐網架，以節省材料的使用；結構平面接近矩形時，可以選擇對角放置的四角錐網架、抽空四角錐網架或者棋盤形四角錐網架；如果平面屬于圓形或多邊形，需要使用三向網架，抽空三角金字塔網架以及三角金字塔網架[1]。

3 網架結構的優點

3.1 整體性良好，剛度較大

網架結構中的各桿件既屬于受力桿，又是支撐桿，相互協同工作，因此，其具有空間剛度大，整體性良好，可以對集中荷載、非對稱荷載以及動荷載等進行承載的優勢。

3.2 適應性強

網架結構可以與不同支承條件的工業廠房和公共建筑的要求相適應，對建筑平面的形狀要求不高，適用于多邊形、正方形、圓形、三角形、扇形以及由此組合而成的各種平面形狀的建筑，既可以在大跨度屋蓋中使用，也可以在小跨度屋蓋中使用。網架內部空間中還可以設置管道、燈具、吊頂以及檢修馬道等設施。關于大跨度廠房，可以沿縱、橫2 個方向完成懸掛吊車的設置,更好地與工藝要求相適應。

3.3 抗震性能良好

網架結構的質地均勻，自重輕，延性非常良好，可以吸收大量的地震能，整體穩定性良好，因此，其抗震性能較強。

3.4 生產與安裝的工業化程度較高，施工周期短

網架結構大量節點以及桿件的尺寸與形狀一致，在工業化中便于大批量生產，現場拼裝較為簡單，可以提高施工速度，縮短施工周期，進而可以為提高項目的經濟效益創造條件。

3.5 建筑造型美觀

網格結構具有美觀、重量輕、裝飾性強以及施工方便等優點，比如，在公共建筑中使用比較大的挑檐，不僅可以使建筑形狀得以豐富，還可以保障網格構件的受力更加合理。在體育建筑中使用網架屋蓋（四點支承外漏），可以使體育建筑的雄偉和勁度得以體現。除此之外，鋼管桿件球節點的具體網架部分外露或者直接外露，可以顯出幾何圖形的規則性，最終形成比較獨特的結構，存在韻律美。

3.6 設計與計算簡便

當前，我國有很多設計通用程序以及網架結構分析軟件，一些單位已經在使用針對性的軟件，可以直接完成施工圖的繪制。在結構計算方面，也存在非常多適用于不同類型網架解耦設計的近似計算圖表。所有這些都為網架結構的計算與設計提供了有利條件。除此之外，由于網架節點和桿件存在單一性，其結構施工圖的數量也較少，因此，可以減少工程設計人員的工作量。

4 網架結構存在的形式

常見的網架結構包括以下形式：（1）由平面架系組成的兩向正交斜放網架和兩向正交正放網架等；（2）由四角錐體組成的正放抽空四角錐網架、正放四角錐網架、斜放四角錐網架、棋盤形四角錐網架以及星型四角錐網架；（3）由三角錐體組成的抽空三角錐網架、三角錐網架以及蜂窩形三角錐網架等[2]。

5 網架結構屋頂排水情況

5.1 網架起拱

在屋頂上方設計網架起拱，主要是為了保持網架的上下弦桿件平行，并且應注意在跨度中間使整個網架抬高，拱形高度需要按照屋頂排水坡度進行確定，該設計方法可以提高結構的抗震性能。但是需要注意，如果外傾角較高，會對桿件的內力造成一定的影響。

5.2 上弦節點小立柱的上設

在網架的上弦節點可以設置立柱，形成排水坡度，只要改變小立柱的高度或布置方式，就可以形成雙坡、四坡或者其他比較復雜化的多坡排水系統。小柱的結構比較簡單，是當前非常常用的一種找坡方法。但是，如果網架跨度比較大時，小柱的高度也會增加，但是細長小柱的抗震性能較弱，因此，在地震帶使用小立柱時，需要進行穩定性檢查以及計算。

6 網架結構節點設計

6.1 計算中對稱性的使用

空間網架結構屬于高次超靜定體系，但其桿件內里以及節點位移都需要利用最終荷載狀態進行控制。如果結構體系本身及其所承受的荷載都存在對稱性，為了減少計算工作量，可以選擇整個網架的1/2n 進行分析。

6.2 網架節點構造

節點構造的合理性會對網架的工作性能、工程造價以及安裝質量等造成一定的影響。當前情況下，鋼板節點和球節點較為常用，球節點主要包括螺栓球節點和焊接空心球節點。

1）鋼板節點。鋼板節點的特點包括零件多、受力復雜、焊縫多等。如果弦桿的內力較大，不能外加蓋板連接，只能在節點板的基礎上進行受力傳遞。這樣就會使節點板的內力分布更加復雜。在焊接鋼板節點中，如果角焊縫強度比較差，可以使用角焊縫以及槽焊為主的連接設計節點，這樣可以保障各匯交桿件的重心交于一點，與此同時，需要保障桿件截面中心以及桿件連接焊縫的中心重合，避免出現偏心力。

2）焊接空心球節點。焊接空心球節點在鋼管桿件的各種網架中使用較多。其優點包括：球體不存在方向性，可以和任意方向的桿件相互連接，使鋼管與軸線垂直，和空心球節點對接相連易于對中，不會出現偏心，節點受力非常明確。

3）螺栓球節點。螺栓球節點形狀小巧、質量輕、非常美觀。每個節點最多可以連接約18 根桿件。節點處的焊接工作量較少，安裝非常簡便，可以實施一定的拆卸。可以在各類網架中進行使用，特別書用于四角錐以及三角錐組成的網架中。但是，這種節點還存在一些缺點：價格高、球體加工復雜、防銹性能較差，要進行內外鍍鋅，并且螺栓球節點屬于相應的鉸接。

7 結語

總之，網架結構是空間結構中比較基本的類型，其使用范圍非常廣泛。隨著技術的不斷完善和發展，相信在未來，它將會不斷向著減小結構自重和增加結構跨度的方向發展，進一步促進建筑行業的發展。