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摘要：在形式众多的空间结构中，网架结构是发展最快、应用最广的结构形式之一，掌握网架结构的设计方法，对从事钢结构设计的工作人员非常必要。
关键词：空间结构；网架；支承方式；节点设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
网架结构的节点构造简单, 构件生产工厂化, 施工工期短, 近年来在体育馆、展览馆、大型商场、车站、飞机库、工厂车间等建筑中获得广泛应用。结构计算软件如浙江大学MSTCAD 、北京云光SFCAD等不断完善成熟, 使设计更加方便。
网架结构的选型
网架结构是一个空间铰接杆系结构，在任意外力作用下都不允许发生几何可变。因此，进行网架结构选型时，要考虑结构的几何可变性。三角锥和四角锥是网架结构中最常用的几何不变单元。
目前，国内外大部分网架结构都采用了基本的三角锥单元和四角锥单元，形成了三角锥网架体系和四角锥网架体系两种主要的网架结构形式。
网架的形式众多，应结合具体工程合理地选择网架形式。网架的选型应综合考虑建筑的平面形状和尺寸、荷载大小、网架支承方式、屋面构造、制作安装方法、实用与经济的原则等。一般情况下应选择几个方案经优化设计确定。在优化设计中，不能只是单纯地考虑用钢量，应考虑杆件与节点的造价差，屋面材料与围护结构的费用，安装费用等综合经济指标。从材料用量来看，当平面接近正方形时，以斜放四角锥网架最经济，其次是正放四角锥网架，但后者杆件标准化、节点统一化程度较高，便于工厂化生产，因此应用较广。当平面为矩形时，宜选用斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架和正放抽空四角锥网架。对于平面形状为圆形、多边形等，宜选用三向网架、三角锥网架和抽空三角锥网架。
结构计算分析
1.荷载计算
跨度大、排水不畅时应考虑天沟满载雨水荷载;厂房建筑有时要考虑积灰荷载, 并与雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中较大值同时考虑。雪荷载、积灰荷载都要考虑最不利布置。
网架造型复杂多样, 对风敏感结构可能出现风压变化问题, 风荷载体型系数有时很难从荷载规范中查出, 故要尽量找到与规范中相近的体型系数。对于特别复杂或重要结构应该通过风洞实验来确定风荷载体型系数。
节点移动、抽球、加球等原因导致产生不规则网格, 此时节点荷载取值就不能简单根据受荷面积平均分配给各个节点。最精确计算是根据有限元计算, 实际工程中大多将不规则网格划分为几个规则网格近似计算。
2.挠度及水平位移控制
挠度控制: 增加网架高度或刚度可以减少挠度值。增加网架高度效果显著, 但是当建筑不允许增加网架高度时, 可以增大网架刚度。如悬挑结构远端挠度超规范时, 可以在结构远端均匀加10倍节点荷载的虚拟力为一种工况, 计算分析后去掉此工况重新固定截面, 看挠度值是否满足要求, 若还不满足就加20( 30,)倍节点荷载的虚拟力直至满足为止。
水平位移控制: 水平位移量不能大于支座底板开孔与螺栓直径差的一半, 否则应计算螺栓受剪。普通压力支座出现Rx > 013Rz 错误, Rx 为支座水平反力,Rz 为支座竖向反力。因为经过钢丝刷清除浮锈或未经处理的钢板表面抗滑移系数L[ 013, 若Rx > 013Rz支座出现滑移, 所以不会出现Rx > 013Rz。对于拱等产生很大水平推力的结构, 应增加侧向支座抵抗水平推力或采用三心圆柱面结构降低水平推力。
3.材料强度取值及长细比控制
材料强度取值: Q235B材料设计强度215 N /mm2应乘以强度折减系数019, 实际取值19315 N /mm2。不锈钢材料设计强度实际取值175 N /mm2。当同一网架中既有Q235B 又有不锈钢材料时, 有两种處理办法: ①先用Q235B材料设计, 计算出Q235B的杆件截面; 再用不锈钢材料设计一遍, 计算出不锈钢杆件截面, 并将不锈钢网架附近的Q235B杆件截面用此次计算结果代替。②不锈钢网架采用Q235B 外包不锈钢, 直接用Q235B材料计算。此方法计算简单且造价低。
4. 受压杆件的截面分类
钢管分为焊接的高频焊管和轧制的无缝钢管,高频焊管截面分类为b 类, 无缝钢管截面分类为a类。一般当杆件规格小于<140 @ 4时为高频焊管,当杆件规格大于<159 @ 5时为无缝钢管。MSTCAD软件中定义杆件时区分高频焊管还是无缝钢管; SFCAD软件中定义杆件时没有区分高频焊管还是无缝钢管, 截面分类统一采用a类。不同的截面类别,轴心受压杆件的稳定系数不同。K相同时, a 类截面的稳定系数比b 类截面的稳定系数大, 所以b 类截面按a类截面设计是不安全的。
5.杆件及螺栓的调整
支座附近的杆件受力较大, 杆件受力还容易出现变化。所以应人为加大受拉杆件截面, 减少杆件级差, 不要使支座附近杆件截面相差悬殊。拉杆螺栓是根据承受的拉力来计算的, 压杆螺栓是根据构造来选择的。所以容易出现大压杆小螺栓现象。支座附近的杆件受力出现变化后, 压杆变拉杆则小螺栓容易被拉断。SFCAD 软件中没有处理此问题, 应人工调整支座附近压杆的螺栓; MSTCAD软件中对不同的管径设置了最小螺栓, 很好地解决了此问题。
支座设计
支座假定要和实际构造相符。SFCAD 软件中要求输入支座弹性刚度。此弹性刚度如何计算往往成为关键, 许多设计人员不区分是独立柱支承、圈梁支承及下部结构的刚度, 就简单地取程序默认值013 kN /mm, 结果造成支座假定和实际构造相差悬殊, 网架结构设计不安全。MSTCAD 软件将下部结构一起输入共同计算, 较好地解决了此问题。如果不能将下部结构一起输入共同计算, 就必须准确计算出支座弹性刚度和下部结构的侧移刚度, 来计算等效的弹性刚度。
干涉问题
1.上弦支撑网架, 腹杆碰梁、柱、支座立板、支座底板
设计前一定要弄清楚下部支撑的梁、柱的轴线和标高关系及截面大小。计算出杆件截面后要进行空间放样, 以保证不出现干涉, 否则要调整网架干涉部分, 干涉很小也可以削梁、柱。如果腹杆碰支座立板,就将相碰立板旋转一定角度至不干涉, 并在支座图中表示出此角度。腹杆碰支座底板是由于支座矮而底板大, 此问题容易被忽略。处理办法是增加支座高度, 所以也要求设计人员要对支座部位进行空间放样。
2.球孔干涉
网架侧面要做围护, 有时网架内部要做马道, 必须设置支托, 这就要求在球的上、下、水平向增加支托孔。增加的支托孔可能与原来的球孔干涉, 所以在增加球孔前要对球孔进行空间放样。
3.支托板有倾角时的设计构造
支托板有倾角时, 支托板中部开孔, 调整好角度后可以伸进工具拧紧螺栓。
4.支座球和支座底板的螺栓相碰
支座球较大而支座立板高度较小时, 双螺母要求的螺栓长度超过支座球与支座底板间的净空。此时必须重新设计支座高度, 不能到施工时将螺栓锯短采用单螺母。
结束语：
近几十年来，世界上建成了成千上万采用各类空间结构建筑的大型体育馆、飞机库、会议中心和展厅等，这些建筑气势恢宏、造型优美，更是实现了经济、合理的统一。网架结构作为空间结构的基本类型，在全世界范围内得到了最为广泛的应用，今后，它还将朝着降低结构自重、增大结构跨度方向继续发展。
参考文献：
[1]《网架与网壳》， 沈祖炎， 同济大学出版社，1998.4
[2]《现代空间结构》，刘锡良，天津大学出版社，2003.6
[3]《轻型钢结构设计指南》，中国建筑工业出版社，2005.8
关键词：空间结构；网架；支承方式；节点设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
引言
网架结构的节点构造简单, 构件生产工厂化, 施工工期短, 近年来在体育馆、展览馆、大型商场、车站、飞机库、工厂车间等建筑中获得广泛应用。结构计算软件如浙江大学MSTCAD 、北京云光SFCAD等不断完善成熟, 使设计更加方便。
网架结构的选型
网架结构是一个空间铰接杆系结构，在任意外力作用下都不允许发生几何可变。因此，进行网架结构选型时，要考虑结构的几何可变性。三角锥和四角锥是网架结构中最常用的几何不变单元。
目前，国内外大部分网架结构都采用了基本的三角锥单元和四角锥单元，形成了三角锥网架体系和四角锥网架体系两种主要的网架结构形式。
网架的形式众多，应结合具体工程合理地选择网架形式。网架的选型应综合考虑建筑的平面形状和尺寸、荷载大小、网架支承方式、屋面构造、制作安装方法、实用与经济的原则等。一般情况下应选择几个方案经优化设计确定。在优化设计中，不能只是单纯地考虑用钢量，应考虑杆件与节点的造价差，屋面材料与围护结构的费用，安装费用等综合经济指标。从材料用量来看，当平面接近正方形时，以斜放四角锥网架最经济，其次是正放四角锥网架，但后者杆件标准化、节点统一化程度较高，便于工厂化生产，因此应用较广。当平面为矩形时，宜选用斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架和正放抽空四角锥网架。对于平面形状为圆形、多边形等，宜选用三向网架、三角锥网架和抽空三角锥网架。
结构计算分析
1.荷载计算
跨度大、排水不畅时应考虑天沟满载雨水荷载;厂房建筑有时要考虑积灰荷载, 并与雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中较大值同时考虑。雪荷载、积灰荷载都要考虑最不利布置。
网架造型复杂多样, 对风敏感结构可能出现风压变化问题, 风荷载体型系数有时很难从荷载规范中查出, 故要尽量找到与规范中相近的体型系数。对于特别复杂或重要结构应该通过风洞实验来确定风荷载体型系数。
节点移动、抽球、加球等原因导致产生不规则网格, 此时节点荷载取值就不能简单根据受荷面积平均分配给各个节点。最精确计算是根据有限元计算, 实际工程中大多将不规则网格划分为几个规则网格近似计算。
2.挠度及水平位移控制
挠度控制: 增加网架高度或刚度可以减少挠度值。增加网架高度效果显著, 但是当建筑不允许增加网架高度时, 可以增大网架刚度。如悬挑结构远端挠度超规范时, 可以在结构远端均匀加10倍节点荷载的虚拟力为一种工况, 计算分析后去掉此工况重新固定截面, 看挠度值是否满足要求, 若还不满足就加20( 30,)倍节点荷载的虚拟力直至满足为止。
水平位移控制: 水平位移量不能大于支座底板开孔与螺栓直径差的一半, 否则应计算螺栓受剪。普通压力支座出现Rx > 013Rz 错误, Rx 为支座水平反力,Rz 为支座竖向反力。因为经过钢丝刷清除浮锈或未经处理的钢板表面抗滑移系数L[ 013, 若Rx > 013Rz支座出现滑移, 所以不会出现Rx > 013Rz。对于拱等产生很大水平推力的结构, 应增加侧向支座抵抗水平推力或采用三心圆柱面结构降低水平推力。
3.材料强度取值及长细比控制
材料强度取值: Q235B材料设计强度215 N /mm2应乘以强度折减系数019, 实际取值19315 N /mm2。不锈钢材料设计强度实际取值175 N /mm2。当同一网架中既有Q235B 又有不锈钢材料时, 有两种處理办法: ①先用Q235B材料设计, 计算出Q235B的杆件截面; 再用不锈钢材料设计一遍, 计算出不锈钢杆件截面, 并将不锈钢网架附近的Q235B杆件截面用此次计算结果代替。②不锈钢网架采用Q235B 外包不锈钢, 直接用Q235B材料计算。此方法计算简单且造价低。
4. 受压杆件的截面分类
钢管分为焊接的高频焊管和轧制的无缝钢管,高频焊管截面分类为b 类, 无缝钢管截面分类为a类。一般当杆件规格小于<140 @ 4时为高频焊管,当杆件规格大于<159 @ 5时为无缝钢管。MSTCAD软件中定义杆件时区分高频焊管还是无缝钢管; SFCAD软件中定义杆件时没有区分高频焊管还是无缝钢管, 截面分类统一采用a类。不同的截面类别,轴心受压杆件的稳定系数不同。K相同时, a 类截面的稳定系数比b 类截面的稳定系数大, 所以b 类截面按a类截面设计是不安全的。
5.杆件及螺栓的调整
支座附近的杆件受力较大, 杆件受力还容易出现变化。所以应人为加大受拉杆件截面, 减少杆件级差, 不要使支座附近杆件截面相差悬殊。拉杆螺栓是根据承受的拉力来计算的, 压杆螺栓是根据构造来选择的。所以容易出现大压杆小螺栓现象。支座附近的杆件受力出现变化后, 压杆变拉杆则小螺栓容易被拉断。SFCAD 软件中没有处理此问题, 应人工调整支座附近压杆的螺栓; MSTCAD软件中对不同的管径设置了最小螺栓, 很好地解决了此问题。
支座设计
支座假定要和实际构造相符。SFCAD 软件中要求输入支座弹性刚度。此弹性刚度如何计算往往成为关键, 许多设计人员不区分是独立柱支承、圈梁支承及下部结构的刚度, 就简单地取程序默认值013 kN /mm, 结果造成支座假定和实际构造相差悬殊, 网架结构设计不安全。MSTCAD 软件将下部结构一起输入共同计算, 较好地解决了此问题。如果不能将下部结构一起输入共同计算, 就必须准确计算出支座弹性刚度和下部结构的侧移刚度, 来计算等效的弹性刚度。
干涉问题
1.上弦支撑网架, 腹杆碰梁、柱、支座立板、支座底板
设计前一定要弄清楚下部支撑的梁、柱的轴线和标高关系及截面大小。计算出杆件截面后要进行空间放样, 以保证不出现干涉, 否则要调整网架干涉部分, 干涉很小也可以削梁、柱。如果腹杆碰支座立板,就将相碰立板旋转一定角度至不干涉, 并在支座图中表示出此角度。腹杆碰支座底板是由于支座矮而底板大, 此问题容易被忽略。处理办法是增加支座高度, 所以也要求设计人员要对支座部位进行空间放样。
2.球孔干涉
网架侧面要做围护, 有时网架内部要做马道, 必须设置支托, 这就要求在球的上、下、水平向增加支托孔。增加的支托孔可能与原来的球孔干涉, 所以在增加球孔前要对球孔进行空间放样。
3.支托板有倾角时的设计构造
支托板有倾角时, 支托板中部开孔, 调整好角度后可以伸进工具拧紧螺栓。
4.支座球和支座底板的螺栓相碰
支座球较大而支座立板高度较小时, 双螺母要求的螺栓长度超过支座球与支座底板间的净空。此时必须重新设计支座高度, 不能到施工时将螺栓锯短采用单螺母。
结束语：
近几十年来，世界上建成了成千上万采用各类空间结构建筑的大型体育馆、飞机库、会议中心和展厅等，这些建筑气势恢宏、造型优美，更是实现了经济、合理的统一。网架结构作为空间结构的基本类型，在全世界范围内得到了最为广泛的应用，今后，它还将朝着降低结构自重、增大结构跨度方向继续发展。
参考文献：
[1]《网架与网壳》， 沈祖炎， 同济大学出版社，1998.4
[2]《现代空间结构》，刘锡良，天津大学出版社，2003.6
[3]《轻型钢结构设计指南》，中国建筑工业出版社，2005.8