風雨操場網架屋面的選型與優化設計

徐 梁 杰

(濟南市規劃設計研究院，山東 濟南 250101)

風雨操場網架屋面的選型與優化設計

徐 梁 杰

(濟南市規劃設計研究院，山東 濟南 250101)

通過對風雨操場屋面網架實際案例中的幾種方案的比較與分析，針對常用的中小型矩形屋面結構的選型和設計過程提出了幾點建議，相應的方法和設計過程可以運用到網架的選型和設計過程中。

風雨操場屋面，矩形網架，正放四角錐結構

1 網架結構選型的考慮因素

網架形式對于網架結構的技術經濟指標、制作安裝和施工進度控制都有直接的影響。影響網架結構選型的因素有很多，但從原則上講，選用的網架類型除經濟最優外，還應做到節點最少、網格最大，從而使桿件截面更有效的發揮作用，同時也使網架采光更通透，造型簡潔大方；但還要受到構件種類與圍護結構構造的限制。因此，必須根據經濟和實用的原則，綜合考慮各種因素條件，才能確定最佳網架形式。

2 風雨操場屋面網架結構設計實例

2.1 工程背景

本工程為濟南市某學校風雨操場。地下1層，地上2層，其中頂層為風雨操場。網架覆蓋面積沿長度方向36 m，沿寬度方向24 m，柱距6.0 m，采用上弦平面周邊支承方式。建筑平面圖如圖1所示。

2.2 設計過程

2.2.1 選型分析

對于邊長比不大于1.5及平面形狀為方形或接近方形的網架，結構呈雙向受力狀態，此時可選用的網架方案類型很多。其中正放四角錐網架空間剛度最大，受力比較均勻，構件布置簡單，有利于定型化生產，屋面桿件規格少，使用廣泛；棋盤型四角錐網架、正放抽空四角錐網架，抽空可減少桿件與節點數量，能充分發揮桿件截面的作用，受力合理，節省用鋼量，但會降低結構的整體剛度與超靜定次數。本工程將對上述三種形式網架方案進行設計對比分析。

網格尺寸的確定：根據網格尺寸與跨度的經濟比例(1/12～1/16)L2(L2為網架短向跨度)，并考慮屋面荷載與節點形式的影響。網格尺寸不宜過大，應結合屋面板種類及材料荷載確定，并考慮支承點的布置尺寸，一般小型網架以不超過3 m為宜，否則桿件交匯的角度過小，施工困難。本例中按照3.0 m×2.67 m設計，這樣長度方向為12個網格，寬度方向為9個網格，標準斜桿的長度為2.7 m，空間夾角為57.7°。

網格高度的確定：高度與網架的跨度、荷載大小、節點形式、平面形狀、支承情況，以及排水坡度設置等因素有關。一般情況下可對于混凝土屋面高跨比取1/10～1/15，鋼檁條屋面高跨比取1/13～1/18。本工程A，B，C三種方案均按照網格厚度為1.9 m考慮，并增加一種按簡支梁彎矩圖形曲線擬合的上弦起坡的Aa方案，端部網格厚度取最小值1.4 m，跨中網格厚度取最大值2.4 m。

結構分析參數如下：

1)材料：所有鋼管、支座及節點板均采用Q235B鋼。桿件最小截面為φ48×3.5。連接節點采用螺栓球節點。

2)強度控制：設計應力及允許長細比：

f=0.95×215=204 N/mm2(Q235B)，最大應力比不大于0.95。

[λ]壓=180；[λ]拉=200，對于低應力小規格的受拉桿件按受壓桿件控制長細比。

3)撓度控制：按照規范《空間網架結構設計技術規程》，主體網架結構撓度控制在L/250。

4)構件計算長度系數：采用螺栓球節點，長度系數均取1.0。

2.2.2 建立模型

模型的建立有多種方式。對于較為規整的結構，可直接在計算程序輔助建模中生成分析模型。對于下部支撐結構布置不規則，或者平面造型變化的網架結構，建議利用AutoCAD強大的三維功能，進行手工建模。本工程三種不同體系，四種方案的模型平、立面布置圖如圖2～圖6所示。

2.2.3 設計荷載與有關參數

本工程設計使用年限為50年，荷載取值按50年一遇考慮。

1)恒荷載。

上弦層：本工程屋面板采用鋼桁架輕型復合板，上部做卷材防水層及水泥砂漿找平層，取均布荷載為2.5 kN/m2。

下弦層：燈具及管道吊掛荷載假定為均布荷載0.2 kN/m2。

網架自重：程序自動生成，螺栓球自重按構件自重的30%考慮。

2)活荷載。

上弦層：非上人屋面均布活荷載0.5 kN/m2(本地區屋面雪荷載為0.30 kN/m2。與活荷載不同時，考慮取大值)。

3)風荷載。

基本風壓按本地區考慮為0.45 kN/m2。地面粗糙度為B類，風壓高度系數取網架頂面高度位置，為μz=1.13。風荷載體型統一取μs=Rc=-1.2。風振系數由程序自動計算，取1.37。

4)溫度差。

根據當地氣象資料，保守考慮施工與使用階段±30 ℃的溫度變化。

5)地震作用。

本地區為6度設防區域，對于周邊支承的中小跨度網架可不進行豎向與水平地震作用的計算。

6)荷載組合。

計算中考慮恒荷載的有利作用，并按下列荷載工況進行組合：

組合1:1.35×恒荷載+1.4×0.7×活荷載。

組合2:1.2×恒荷載+1.4×活荷載。

組合3：1.2×恒荷載+1.4×溫度作用1(+30)。

組合4：1.2×恒荷載+1.4×溫度作用2(-30)。

組合5：1.2×恒荷載+1.4×活荷載+0.84×溫度作用1(+30)。

組合6：1.2×恒荷載+1.4×活荷載+0.84×溫度作用2(-30)。

組合7：1.2×恒荷載+1.4×活荷載+1.4×0.6×風荷載。

組合8：0.9×恒荷載+1.4×風荷載。

組合9：0.9×恒荷載+1.4×風荷載+0.84×溫度作用1(+30)。

組合10：0.9×恒荷載+1.4×風荷載+0.84×溫度作用2(-30)。

7)支座假定。

在一般的支座設計中，常用的包括：固定鉸支座，單向滑動鉸支座，雙向滑動鉸支座，彈性支座以及橡膠支座等。支座的假定需要根據下部支承結構的剛度條件進行判斷，或者對下部支承部分的剛度進行計算并輸入支座的剛度值，或者假定幾種不同剛度的彈性約束方式，并在每種剛度下對結構進行分析，根據結果來考察支座對結構性能的影響，從而對支承部分的剛度提出限定的要求。本工程考慮柱頂連系梁的作用，四邊采用單向滑動支座，四角采用固定鉸支座進行設計。

8)設計規范。

按照現行JGJ 7—2010空間網格結構技術規程進行設計。

9)計算分析及設計軟件較為通用的包括MSTCAD，3D3S，SFCAD等，各軟件的操作步驟均按照建模→參數設置→荷載布置→結構分析→構件設計與優化→施工圖生成的標準順序。本工程采用3D3S進行結構的輔助建模分析與設計出圖。過程從略。

2.3 設計結果對比分析

各方案經設計與方案優化后，結果各項數值如表1所示。

表1 矩形網架方案設計結果對比表

1)對于邊長比為1.5的小型矩形截面，雙向傳力路徑長度不再均勻一致，傳力過程與正方形網架結構形式有所區別，主體結構材料用量與撓度的差別已經不再明顯。

2)從構件長度與數量來看，棋盤型四角錐與正放抽空四角錐網架仍然具有較明顯的優勢，構件制作、運輸、拼裝與吊裝以及后期的維護費用相對較為有利。但由于構件尺寸較大，因構造要求螺栓球型號也變大，輔材用鋼量反而起控制作用。

3)正常情況下，構件的規格級差與種類數量的因素，也是實際工程中不可忽視的問題。在軟件設計優化中，采用到的規格相對較多，但工程設計中對于個別零星的構件仍然需要進行手工并歸，對總體耗鋼量也有明顯的增加，在設計階段也應綜合考慮。

3 結語

通過對風雨操場屋面網架的實際案例方案的探討，對中小型周邊支承網架結構中幾種常用的布置形式與設計過程進行了論述，并對設計結果中影響最終造價的內容項進行了對比分析。設計人員可以根據具體情況在設計過程中予以綜合考慮，也有必要進行深入的研究。

[1] JGJ 7—2010，空間網格結構設計規程[S].

[2] 趙鵬飛.空間網格結構技術規程理解與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] 董石麟，羅堯治，趙 陽.新型空間分析、設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4] 杜文峰.網架、網殼結構設計實例與解析[M].北京：中國電力出版社,2012.

On type selection and optimal design for rack roofing of stormproof playground

Xu Liangjie

(JinanPlanningandDesignInstitute,Jinan250101,China)

According to the comparison and analysis of some schemes in the cases of the rack roofing of stormproof playground, the paper points out some suggestions for the type selection and design process of common middle and small rectangular roof structures, and indicates the respective methods and design process can be adopted in the type selection and design process of the rack.

roof of stormproof playground, rectangular rack, pyramid space truss

2015-04-26

徐梁杰(1982- )，男，工程師，一級注冊結構工程師

1009-6825(2015)19-0027-03

TU318

A