網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體會(huì)

龔麗敏

(西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院，山西太原 030053)

隨著社會(huì)發(fā)展和工程建設(shè)的需要、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和工廠化的提高，以及電子計(jì)算技術(shù)的普及應(yīng)用，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到迅速發(fā)展，它受力合理、空間剛度大、整體性強(qiáng)、制作安裝方便、造價(jià)較低，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房及各類(lèi)大中跨度的公共建筑，如體育館、展覽館、大型商場(chǎng)、車(chē)庫(kù)、飛機(jī)庫(kù)等等。本文根據(jù)自己的工作實(shí)踐總結(jié)了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出粗淺的看法，由于水平有限，錯(cuò)誤在所難免，請(qǐng)大家包涵。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選型

網(wǎng)架的網(wǎng)格單元分為三大類(lèi):

1)交叉桁架體系:常見(jiàn)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(jiàn)有正放四角錐、正放抽空四角錐、棋盤(pán)形四角錐、斜放四角錐、星形四角錐。

3)三角錐體系:常見(jiàn)有三角錐、抽空三角錐、蜂窩形三角錐。

網(wǎng)架的支承情況一般有周邊支承、點(diǎn)支承、三邊或兩邊支承等形式。

網(wǎng)架的選型主要根據(jù)工程平面形狀、尺寸、屋面荷載及構(gòu)造以及材料供應(yīng)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(wǎng)架類(lèi)型。

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的材料選擇

2.1 材料選擇

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大多數(shù)采用鋼材，主要是Q235B鋼或Q345鋼，一般網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用Q235B級(jí)鋼即可。大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中主要采用Q345鋼。焊接球、封板、錐頭同樣可采用Q235B級(jí)鋼或Q345鋼，其鋼號(hào)宜與桿件統(tǒng)一。高強(qiáng)度螺栓采用40Cr鋼較好，螺栓球宜采用45號(hào)鋼。

2.2 材料強(qiáng)度取值

鋼管在出廠時(shí)難免存在結(jié)構(gòu)缺陷，所以在設(shè)計(jì)時(shí)常將鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度乘以折減系數(shù)0.9，不銹鋼材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值在此基礎(chǔ)上再乘以折減系數(shù)0.9。如果網(wǎng)架中同時(shí)存在不銹鋼，有兩種計(jì)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(shè)計(jì)。第二，網(wǎng)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(qiáng)度依然按Q235B鋼或Q345鋼取值。

3 桿件設(shè)計(jì)

3.1 桿件截面設(shè)計(jì)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)半徑大，對(duì)受壓受扭均有利，其受力性能比其他形式截面要好，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wú)縫鋼管兩種，高頻焊管價(jià)低壁薄，在設(shè)計(jì)中對(duì)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(wú)縫鋼管。高頻焊管屬于b類(lèi)截面，無(wú)縫鋼管屬于a類(lèi)截面。在λ相同情況下，a類(lèi)截面的桿件軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)比b類(lèi)截面大，設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分桿件的截面類(lèi)別。

網(wǎng)架桿件通常均按軸心受力構(gòu)件設(shè)計(jì)，對(duì)于網(wǎng)架下弦荷載(如吊頂或馬道等)應(yīng)將其構(gòu)造設(shè)計(jì)為可以將荷載直接傳到網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)上，否則下弦桿需要按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且要提高螺栓的抗剪承載力。

3.2 桿件長(zhǎng)細(xì)比控制

在網(wǎng)架支座附近的桿件，其受力較復(fù)雜，拉壓性質(zhì)有可能發(fā)生變化，因此建議其長(zhǎng)細(xì)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(diào)整

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其可靠性要強(qiáng)于平面結(jié)構(gòu)。僅個(gè)別桿件破壞一般不會(huì)導(dǎo)致整體倒塌。例如，陜西省體育館網(wǎng)架在一次事故中，個(gè)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(shè)計(jì)錯(cuò)誤，施工質(zhì)量太差，同樣的情況也會(huì)發(fā)生倒塌。天津地毯倉(cāng)庫(kù)48 m×72 m網(wǎng)架及內(nèi)蒙玻化車(chē)間20 m×36 m網(wǎng)架倒塌事例便印證了這一結(jié)論。因此，對(duì)于大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，相鄰桿件截面應(yīng)進(jìn)行人工調(diào)整，避免相差過(guò)于懸殊，桿件計(jì)算要采用彈性計(jì)算方法，受壓桿件的長(zhǎng)細(xì)比要留有富余，以利于桿件內(nèi)力重分布。

桿件截面需要調(diào)整時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行分析，使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求為止。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，桿件不宜替換，如必須替換時(shí)，應(yīng)根據(jù)截面及剛度等效的原則進(jìn)行。在桿件代用中，盲目以大代小的觀念是危險(xiǎn)和錯(cuò)誤的，桿件斷面的局部加大在引起桿件變形減小的同時(shí)也會(huì)造成桿件內(nèi)力的性質(zhì)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(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證來(lái)確定。

在SFCAD軟件中，當(dāng)支座附近的桿件受力性質(zhì)發(fā)生變化，壓桿變拉桿后小螺栓常常會(huì)被拉斷。而在MSTCAD軟件中，針對(duì)此問(wèn)題對(duì)不同管徑匹配了最小螺栓。

4 支座選型及設(shè)計(jì)

4.1 支座選型

網(wǎng)架支座構(gòu)造應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。壓力支座能限制轉(zhuǎn)動(dòng)與滑動(dòng)，常用于中小跨度網(wǎng)架。橡膠支座不會(huì)生銹，可以雙向變形，氯丁橡膠支座及經(jīng)過(guò)外包聚氨酯或酚醛樹(shù)脂以及環(huán)氧玻璃布保護(hù)的橡膠支座抗老化能力較強(qiáng)。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(zhuǎn)角，網(wǎng)架也能承受。

橡膠支座造價(jià)一般不超過(guò)球鉸支座價(jià)格的15%，在設(shè)計(jì)中支座反力300 t以?xún)?nèi)的網(wǎng)架支座應(yīng)盡可能采用橡膠支座。

4.2 支座設(shè)計(jì)

網(wǎng)架支座的假定應(yīng)與實(shí)際構(gòu)造相符合。SFCAD軟件中要求輸入其彈性剛度。如果在設(shè)計(jì)中不區(qū)分獨(dú)立柱支承、圈梁支承等等而簡(jiǎn)單地輸入程序默認(rèn)值，會(huì)使網(wǎng)架設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。MSTCAD軟件則將網(wǎng)架與下部結(jié)構(gòu)共同輸入計(jì)算，較好地處理了該問(wèn)題。網(wǎng)架支座的設(shè)置部位及個(gè)數(shù)的確定是以保證所有支座均受壓力為原則。

下弦支承的網(wǎng)架支座均取消下部的基準(zhǔn)孔，在上部留φ14孔深度30 mm的基準(zhǔn)定位孔，支座立板的上部留成圓弧形，構(gòu)造詳見(jiàn)圖1。

圖1 基座底板及立板設(shè)計(jì)

5 網(wǎng)架的抗震設(shè)計(jì)

按規(guī)范要求，僅對(duì)于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)，可不進(jìn)行水平抗震驗(yàn)算;對(duì)于抗震設(shè)防烈度為9度地區(qū)，各種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均須進(jìn)行水平與豎向抗震驗(yàn)算。

兩向正交正放網(wǎng)架上、下弦的方形網(wǎng)格，屬于幾何可變體系，在周邊網(wǎng)格內(nèi)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(nèi)力，如圖2所示。

圖2 正交正放類(lèi)網(wǎng)架水平支撐設(shè)置

在地震作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)周邊桿件內(nèi)力性質(zhì)常常會(huì)發(fā)生改變，因此在周邊2～3網(wǎng)格區(qū)格內(nèi)桿件的允許長(zhǎng)細(xì)比均應(yīng)按壓桿考慮，不應(yīng)大于180。

6 結(jié)語(yǔ)

在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)大大提高了設(shè)計(jì)速度。但是，一個(gè)優(yōu)秀的網(wǎng)架設(shè)計(jì)不單單是高速度設(shè)計(jì)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的正確運(yùn)用，及考慮施工工藝因素等的合理儲(chǔ)備，同樣是不可忽視的。

［1］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JGJ 7-91，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程［S］.

［3］丁蕓孫.目前網(wǎng)(殼)架工程中一些技術(shù)問(wèn)題探討［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2001，31(6):64-68.