淺談我國空間網架結構發展趨勢

戴素娟 李文宇 李 鋒 解淇鵬 王貝貝

（山東省土木工程防災減災重點實驗室 山東 青島 266590）

淺談我國空間網架結構發展趨勢

戴素娟 李文宇 李 鋒 解淇鵬 王貝貝

（山東省土木工程防災減災重點實驗室 山東 青島 266590）

主要介紹了網架結構的形式與特點，著重闡述了網架結構的未來發展趨勢，指明了空間網架結構的研究方向，對我國網架結構的研究設計人員、施工技術人員具有一定的指導作用。

網架結構；主要特點；發展趨勢

網架結構又稱平板型網架結構，是以多根桿件按照一定的規律組合而成的網格狀高次超靜定空間桿系結構。網架結構主要有平面桁架系網架、四角錐體系網架和三角錐網架三大類，又可分為13種具體的網架形式。網架結構的主要構件是桿件，但桿件節點同樣十分重要，它起著連接匯交桿件，傳遞屋面荷載和吊車荷載的作用，一個節點上的桿件數，少則有6根，多的可達13根，節點的用鋼量約占整個網架用鋼量的1/5～1/4,因此，合理設計節點是網架設計中非常重要的環節，常用的節點主要有焊接空心球節點、螺栓球節點和焊接鋼板節點。

1.網架結構的主要特點

網架結構具有如下特點：

（1） 可實現的跨度大。網架結構是三維受力的空間桁架結構，空間交匯的桿件互為支承，將受力桿件與支承系統有機的結合起來，比單向受力的平面桁架結構應用的跨度更大，跨度一般可達120m，甚至更大。

（2） 經濟安全可靠。由于網架的整體空間作用，剛度大、穩定性好，對局部結構的制造缺陷不很敏感，具備各向受力性能，因而應力分布均勻，用料經濟。網架結構屬于高次超靜定結構，結構安全儲備很大。

（3） 抗震性能很好。由于網架結構的剛度和整體性較好，因而抗震性能好。這一點，已被國內外的工程實踐所證實。

（4） 適應性強。網架結構能適應不同支承條件的各類建筑，在平面在形狀上也能適應正方形、矩形、多邊形、圓形、扇形、三角形以及由此組合而成的各種平面形狀。另外，網架的網絡形式也為屋面設計和內部裝飾提供了方便。

（5） 制作、安裝方便。網架結構的桿件和節點比較單一，便于制成標準桿件和單元，可在工廠中成批生產。而且桿件和節點的尺寸不大，儲存、裝卸、運輸和拼裝都比較方便。

2.網架結構研究發展趨勢

網架結構之所以蓬勃發展是由于它具有外形美觀、受力合理、制作簡單的優點，同時受到了結構工程師和建筑師的青睞。多年來國內外學者對其進行了大量系統的研究，獲得了一系列顯著科研成果。相對其他種類的空間結構，網架結構的理論研究和工程應用都已經比較成熟，但隨著應用范圍的不斷拓展，仍然存在一些重要問題需要研究。

2.1 網架結構的水平抗震性能研究

平面桿系屋蓋結構體系上受到的水平地震作用主要由屋蓋的支承系統承受，所以抗震設計主要針對豎向地震的計算。而網架結構多用于高大空曠房屋，支承系統要和網架共同承受水平地震作用，網架良好的空間剛度正好提供了這種可能，因此對網架結構體系在水平地震作用下的反應應該給予足夠重視。

一般認為對網架結構的抗震設計主要應考慮豎向地震作用，這是針對網架結構本身而言的。對于整個結構體系來說，水平地震作用仍是不可忽視的。由于網架結構具有良好的空間剛度，與下部支承系統一起形成空間協同工作，從而保證了建筑物“大震不倒”，在網架結構抗震分析中，應考慮下部支承結構的影響。

2.2 網架結構的疲勞性能研究

網架結構就應用范圍而言，不僅應用于體育館等大型公共建筑，而且在工業建筑中得到了廣泛的推廣應用。工業廠房中的網架結構，由于生產的需要一般都設置懸掛起重機作為起重運輸設備。懸掛起重機的設置可謂是一大創舉，它不僅充分發揮了網架超靜定結構對集中力擴散較快的優點，而且布置靈活，便于工業流程改造。與此同時，在懸掛起重機作用下網架結構的疲勞問題也被提上議程，而且引起工程界和學術界越來越廣泛的關注。如何進行網架結構疲勞設計，JGJ—2010《空間網格結構技術規程》以及 GB50017—2003《鋼結構設計規范》中尚無具體規定。對于直接承受中級或重級工作制懸掛起重機的網架結構，規定其疲勞強度及構造應由專門的試驗確定，而且懸掛起重機的噸位限制在5t以內。這極大的限制了網架結構在懸掛起重機工業廠房的推廣應用。因此，開展系統的理論與試驗研究，建立網架結構疲勞設計方法意義重大。

2.3 網架結構的新體系

根據桿件布置方式的不同，網架結構有多中常用的類型。在工程實踐和理論研究中，應提倡網架形式的創新，并對其幾何拓撲關系和基本力學性能展開研究。使網架結構得以不斷豐富和發展，并增強網架結構的生命力。

將預應力技術引入網架結構，為網架的發展提供了又一廣闊空間。預應力網架結構是一種新型大跨結構，由于預應力的施加能夠有效地減少結構的撓度，降低內力峰值和用鋼量，已經日益廣泛地應用于實際工程之中。網架的下弦平面內或下弦平面下布置預應力索，以及調整網架支座高度均能起到施加預應力的效果。結合網架的支承結構，在網架上弦節點處設置斜拉索，也可以改善網架的受力。此類預應力網架結構的靜力、動力力學性能、不同預應力度對網架的卸荷效果、極限承載力和破壞形態的影響等問題值得進一步研究。

近年來，隨著冶金技術的不斷提高，科學研究工作的不斷深入，鋁結構在全世界范圍內被大量應用，歐美各發達國家更是在大量應用鋁結構，如鋁結構橋、鋁穹頂結構、鋁網架結構等。鋁是人類認識和利用比較早的元素之一，因為它的強度和硬度都較低，純鋁構件是十分不理想的。但是鋁可通過冷加工強化，把強度提高一倍以上，也可通過添加鎂、錳、硅、銅、鋅、鋰等合金元素，再經熱處理進一步強化，所形成的鋁合金既有優良的物理力學性能又具有重量輕的特有優點，因而是一種很理想的建筑材料。鋁網架結構的工程應用和理論研究具有很大的發展空間。

2.4 網架結構的塑形設計

目前對網架結構靜動力受力分析，僅限于彈性分析范圍內。在一些荷載確定、跨度不大的網架中，可以嘗試考慮塑形設計，應允許在一定條件下，網架桿件部分進入塑性。網架結構抗震分析，尤其是罕遇地震作用下，應該進行網架結構的彈塑性動力分析。目前這一領域的研究工作開展的還不夠，這也是今后網架結構理論研究的需要關注的一個重要內容。

2.5 網架結構的新型節點

隨著網架結構形式的不斷創新、桿件截面形式的變化，網架結構節點形式也需要不斷創新。需要開發一些新型裝配式、易于加工和裝配，并且成本低的節點形式。另外，對現有一些常用節點形式也需要進一步改進，以拓展其應用范圍。工程實踐中，焊接空心球網架正趨向于大跨度、大節點的發展方向，直徑大于500mm的空心球在工程上的需求量越來越多。大型焊接空心球由于其直徑、厚度大，在鋼板加熱、壓制、焊接等加工過程中不同于一般的焊接空心球，其受力性能也和一般焊接球有所區別。

由于螺栓球節點網架結構具有工廠化生產、質量易保證，以及安裝和施工周期短等優點，該節點形式應用越來越廣泛。高強螺栓是這類網架的關鍵部件，決定著結構的安全和應用范圍。德國Mero公司已有M120大直徑超高強螺栓，可承受2000～3000kN的設計拉力，并已在希臘雅典的體育館工程中應用。而國內40Cr的最大直徑為M64，也僅能承受800～900kN的設計拉力。從一些實際工程中，也提出了大直徑超高強螺栓及配套鋼球的研制問題。只有這樣，螺栓 球節點網架的應用范圍才會進一步擴大，使得螺栓球節點網架的優點更為突出。

結論

空間網架結構今后發展的一個重要趨勢就是網架與預應力結合的大跨度空間網架結構, 大跨空間網架結構也是衡量我國建筑科技水平的重要標志之一, 我國當前針對于大跨度空間網架結構所涉及需要的新體系、新技術、新材料還存在很大欠缺, 有待進一步研究和完善, 以更充分的體現大跨度空間網架結構的先進性、經濟性與合理性 ,最終促使我國空間網架結構蓬勃地發展, 更好的為我國經濟建筑服務。

[1]張文福.空間結構[M].科學出版社. 2005.8

[2]劉錫良.我國網架結構的發展[C].第六屆全國現代結構工程學術研討會論文集.2006.7

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1007-6344（2016）07-0263-01