西安異形網架結構設計

文／田維洲 悉地國際設計顧問（深圳）有限公司上海楊浦分公司 上海 200438

引言：

空間網格結構是在20世紀中葉特別是近40 多年來蓬勃發展起來的新結構，它是由多根桿件按照某種有規律的幾何圖形通過節點連接起來的空間結構，與平面桁架、剛架不同之處在于連接構造是空間的，可以充分發揮空間三維傳力的優越性，特別適用于覆蓋大跨度建筑。空間網格結構通常可分為網架和網殼結構，其中又以網架結構應用最為廣泛，其具有跨越尺寸大，抗震性能好，經濟性優，施工方便等優點，本文從實際項目出發闡述了單層網架的設計流程和注意事項。

1、工程概況

本項目為西安市某大型主題樂園，設防烈度為8 度0.2g，Ⅲ類場地，設計地震分組為二組，本文介紹了其中一個場館的網架設計，該網架投影面積約8006 m，主要跨度64m，網架上弦標高14.400，下弦周邊支承，采用正放四角錐形式，網架厚度3.5m，主要網格尺寸3.96mx3.96m，節點為焊接球節點，支座為成品抗震球鉸支座，下部支承結構為單方向混凝土懸臂柱，柱截面尺寸為1200mmx2000mm，周圈有混凝土梁拉結，鋼材為Q355B，綜合用鋼量為68kg/m，三維模型如下圖1所示：

圖1 三維模型

2、網架結構基本參數

2.1 網格布置

根據《空間網格結構技術規程》（JGJ7-2010）（以下簡稱《網格規程》）網架跨高比為1/10～1/18，初步確定網架厚度4m，考慮柱上支座比梁上支座受力直接，能避免混凝土梁下撓對網架產生附加應力，因此優先考慮柱上支座，結合本項目柱跨8.4mx8.4m，斜向柱距11.9m，根據《網格規程》相鄰桿件夾角30°～45°要求，網格尺寸按柱距三等分即3.96m 考慮，在局部不規則處調整網格尺寸，但應注意與主要網格相差不大，保證在感觀上網格尺度的連續性，且無雜亂之感，建模完成后初算仍有部分桿件夾角小于30°，且撓度尚有富余，因此將網架厚度減小到3.5m。

本項目由于建筑要求網架邊緣采用垂直邊，如按常規方式在網格邊緣將弦桿延伸過來（圖2）則邊緣相鄰斜腹桿夾角基本都小于30°，這里可以采用圖3做法，這樣桿件夾角均滿足要求。

圖2

圖3

2.2 屋面找坡

對于網架屋面找坡不僅關系到建筑專業，也涉及結構計算，如果全部通過起小立柱的建筑找坡方式，屋脊處的小立柱高度近1.5m，除了需要關注立柱自身的穩定性，其對網架的影響也要注意，且抗震不利，因此盡量采用結構找坡，由于異形網架找坡線較多，全部采用結構找坡較為困難，通過結構找坡和立柱建筑找坡相結合的方式可以解決該問題，主要坡度結構解決，局部復雜部位起小立柱局部調整，這樣屋脊線可以不在上弦節點處，找坡更為靈活。

3、荷載取值

3.1 恒載

該網架屋面為金屬屋面，上弦恒載為金屬屋面及相關系統重量(主要為金屬板自重、巖棉自重、小立柱、檁條自重等)，綜合考慮0.75KN/m，下弦無附加恒載，考慮節點自重按經驗值放大1.3 倍。

3.2 活載

上弦不上人屋面活載0.5KN/m，雪荷載按100年重現期為0.3KN/m，雖然按《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）（以下簡稱《荷載規范》）規定不上人活載不與雪荷載同時組合，但并不能包絡取大，原因在于雪荷載要參與地震組合而屋面活載不參與；下弦考慮設備管線、燈具及檢修荷載綜合按0.5KN/m；由于該網架跨度較大，應考慮活荷載不利布置，故增加上弦半跨活載的工況。

3.3 風荷載

考慮到網架對風敏感，基本風壓適當提高按0.40 KN/m考慮。

3.4 雪荷載

網架屬于雪荷載敏感結構，按100年重現期基本雪壓為0.30 KN/m。

3.5 地震作用

西安為8 度0.2g，場地類別II 類，地震分組第二組，考慮豎向地震。

3.6 溫度作用

按《荷載規范》查到西安最低最高氣溫為-9℃、37℃，初始溫度按15℃，溫差考慮±25℃。

4、結構分析及節點設計

4.1 整體分析

本項目網架的下部支承結構為混凝土懸臂柱，周邊沒有樓板約束，這就導致水平地震作用下懸臂柱自身是有一定側移的，同時又和網架變形相互影響，若采取以往的設計方法，混凝土部分和網架各自獨立建模，不考慮兩者的協同工作，會對網架的地震作用，特別是水平地震作用的計算產生顯著影響，甚至得出錯誤結果。因此，考慮上下部結構的協同工作是該種結構地震作用計算的基本原則。本工程采用同濟大學3D3S 軟件進行整體建模計算，采取振型分解反應譜法計算水平和豎向地震作用，結構阻尼比按材料自動計算，計算后發現網架的陰角處有很大的應力集中，其支座壓力達到了9000KN，且其附近的支座出現了較大的拉力，其原因在于網架平面形狀不規則導致支座受力不均勻，部分支座的拉力作用到相近的受壓支座上，從而使得該支座受到更大的壓力；計算還發現網架陽角處支座也出現了超過1000KN 的拉力，如此大的拉力將造成網架支座設計困難，為此將部分拉力支座釋放，則陰角處的壓力減小到5000KN 左右，陽角按懸挑考慮，各支座反力均勻，受力更為合理。由于網架跨度較大溫度效應明顯，起初采用固定鉸支座，施加溫度作用后發現支座水平反力較大，對此將支座設為彈性支座給予合適的支座水平剛度，過小的剛度導致網架水平位移過大，過大的剛度則釋放水平力的效果不明顯，經多次試算后將支座剛度設為10KN/mm 較為合適。

網架桿件采用常規截面尺寸Φ60x3.5、Φ75.5x3.75、Φ88.5x4、Φ114x4、Φ140x4等，關鍵桿件應力比控制0.8，一般桿件0.85，球節點0.8，桿件凈截面系數0.9，按《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），一般桿件長細比按180，關鍵桿件取120，軟件自動優選截面，撓度控制1/250，多次調整迭代計算后周期如表1，第一振型為豎向振動，第二三振型為平動。

表1

4.2 球節點設計

對于中大型網架，螺栓球節點一般難以滿足，本項目全部采用焊接球節點，最小焊接球為WS1806，最大為WSR8035，材質為Q355B，節點設計完成后尚需要驗算實際球節點重量占比是否滿足當初假設的30%要求，若不滿足需修改數值重新設計。

4.3 支座設計

圖4 典型支座節點詳圖

本項目采用成品支座，將支座的水平豎向承載力、剛度、位移量提供給廠家，廠家按要求生產，前期可參考廠家的產品手冊預估支座大小，支座設計應考慮支座水平位移量，本項目按設防震地震預留位移量，可簡單按多遇地震位移的3 倍考慮，歸并后的支座參數如表2：

表2

支座底板設計可參考柱腳的相關計算，底板厚度按照《鋼結構連接節點手冊》（第三版）公式：

圓管加十字節點板規范尚無計算公式，《空間結構》指出十字節點板一般不受強度控制，但十字節點板的自由邊可能會在底板向上的反力作用下屈曲，可按書中的構造要求復核十字板的寬厚比：

出于對項目安全性的考慮，取典型支座2 進行應力計算，假定支座處于彈性狀態，材料本構關系按線性考慮，不考慮塑性發展，計算得出剪應力較小，正應力起控制作用，采用材料力學公式：

圖5 支座節點實體模型分析

由應力云圖可知，應力較大一肢平均應力為163MPa，與材料力學公式計算結果基本相當，底部邊緣最大應力為340MPa，但未超鋼材屈服強度，且施加的節點力是各工況組設計值的包絡結果，會比實際受力偏大，因此安全性是有保證的，對于其他幾個支座采取類似方法復核，均得到相似的計算結果，由此可得出結論：受力較大的網架支座應重視計算復核，不能僅通過構造措施保證，在未進行實體有限元復核前采用材料力學公式計算應力是可行的。

成品支座部分，應對廠家的支座圖紙和計算書進行審核，主要包括：支座頂部鋼板尺寸是否滿足十字板的安裝要求，底部鋼板面積是否滿足混凝土柱局部承壓要求，且需要廠家確認支座剛度及預留位移量滿足設計要求，實際生產后的成品支座如圖6、7所示：

圖6 成品支座

圖7 支座彈簧

結語：

（1）網架垂直邊，改變邊跨的桿件布置方式可以使桿件夾角滿足規范要求；

（2）異形網架陰角處壓力很大，角部存在拉力，可以釋放部分拉力支座使得支座反力均勻；

（3）若網架在考慮地震或溫度作用支座水平反力很大，可以選擇合適剛度的彈性支座釋放水平力，此時支座設計要考慮水平位移量；

（4）由于現在網架尺寸越來越大，復雜程度越來越高，若按以往的通過構造保證十字板強度穩定可能已不太適用，應進行應力復核，有條件的尚宜進行實體有限元分析，當然這都只是理論階段，更為準確的結果還需要進行試驗，但作為工程實際應用，按材料力學公式計算是切實可行的。