鋼屋蓋設(shè)計中的桁架和網(wǎng)架設(shè)計要點

陳卓

1.結(jié)構(gòu)選型

常規(guī)鋼屋蓋跨度為30m～60m 之間。一般結(jié)構(gòu)形式為鋼網(wǎng)架、鋼桁架等。屋蓋結(jié)構(gòu)形式的確定因素，主要是建筑的形狀和規(guī)則性。當(dāng)建筑造型規(guī)則性較好時，可以選用鋼桁架。而建筑造型相對復(fù)雜時，可以選用鋼網(wǎng)架。

桁架結(jié)構(gòu)屋架形式一般有三種：平行弦式，梯形式，三角形式。各種屋架形式有其適用情況。無論選用哪種桁架形式，主要原則是：（1）滿足建筑功能，主要是凈空和排水坡度及造型要求；（2）施工方便，應(yīng)適當(dāng)減少桿件和節(jié)點的數(shù)量和種類；（3）受力合理，使得桁架造型與彎矩圖接近。

網(wǎng)架屋架形式也有三種：由四角錐體系組成的正放四角錐網(wǎng)架等，由交叉桁架體系組成的兩向正交正放網(wǎng)架，由三角錐體系組成的三角錐網(wǎng)架。選擇的主要原則是平面形狀：（1）當(dāng)平面為圓形，正六邊形及近似正六邊形時，可選用三角錐體系；（2）當(dāng)平面為矩形時，邊長比大于1.5 以上，導(dǎo)荷方式趨于單向受力，宜選用兩向正交正放網(wǎng)架；邊長比小于1.5時，導(dǎo)荷方式趨于雙向受力，宜選用正放四角錐體系[1]。

2.結(jié)構(gòu)尺寸

屋架尺寸是屋蓋設(shè)計中的重要內(nèi)容，直接決定美觀度和經(jīng)濟(jì)性。一般是根據(jù)屋架確定的選型，結(jié)合經(jīng)驗確定端部尺寸，由屋面坡度和屋面建筑做法（荷載）確定屋架跨中高度，最后綜合確定。

在平面桁架結(jié)構(gòu)中，鋼桁架的上下弦的高度，可以取跨度的1/20～1/8。當(dāng)桁架端與柱鉸接時，取1/20 左右，跨度在15m～40m 之間時，通常端部高度為1.5m～2.5m；當(dāng)桁架端與柱剛接時，取1/12 左右，跨度在15m～35m 之間時，通長端部高度為2.1m～3.0m。

鋼網(wǎng)架的最優(yōu)網(wǎng)格尺寸和矢高，根據(jù)網(wǎng)架的跨度定。當(dāng)采用混凝土屋面時，高跨比為1/10～1/14，采用輕鋼屋面時，為1/13～1/18，另外值得注意的是網(wǎng)格尺寸與短向跨度有關(guān)。確定網(wǎng)格尺寸時宜使相鄰桿件間的夾角大于45°，且不宜小于30°。網(wǎng)架可采用上弦或下弦支承方式，當(dāng)采用下弦支承時，應(yīng)在支座邊形成邊桁架。另外，從成本和施工的角度來講，可以稍微加大網(wǎng)格尺寸，從而減少過多構(gòu)造桿件，提高構(gòu)件利用效率，且施工減少節(jié)點數(shù)[2]。

3.支座節(jié)點

支座節(jié)點是整個結(jié)構(gòu)中的重要部位，是連接屋蓋結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)的紐帶。從概念上講，受力明確、傳力簡捷、安全可靠是基本要求，從經(jīng)濟(jì)性上講，構(gòu)造簡單，安裝方便。支座落位于鋼筋混凝土柱或磚柱上時，通常設(shè)計為鉸接。支座構(gòu)造包括錨栓、支座底板、節(jié)點板、加勁肋等部件，見圖1。

圖1 支座節(jié)點

表1 用鋼量統(tǒng)計

鑒于支座的重要性，要保證安全而可靠地傳遞反力，除了具有足夠的強(qiáng)度和剛度之外，還應(yīng)該滿足以下條件：（1）支座節(jié)點的構(gòu)造應(yīng)與電算模型相符合。當(dāng)電算中設(shè)計為鉸接時，那么實際構(gòu)造措施應(yīng)該確保連接于支座節(jié)點的桿件重心線與支承反力匯交于一點.并應(yīng)在構(gòu)造上允許支座轉(zhuǎn)動。若實際構(gòu)造時，支座按半剛接或剛接設(shè)計，將造成支座及支座周邊桿件內(nèi)力發(fā)生嚴(yán)重偏差。（2）支座節(jié)點的構(gòu)造應(yīng)與受力特點相匹配。在豎向荷載作用下，支座節(jié)點一般均為受壓。但在一些斜放類的網(wǎng)架中，局部支座節(jié)點可能要承受拉力作用，甚至還可能要承受水平力作用，在節(jié)點設(shè)計時，應(yīng)該對應(yīng)考慮相應(yīng)的構(gòu)造措施。（3）溫度應(yīng)力的考慮，為了盡可能地減少和消除溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響，在構(gòu)造上應(yīng)能允許支座節(jié)點水平滑移。綜合上述幾點，支座構(gòu)造設(shè)計時，應(yīng)對其構(gòu)造細(xì)節(jié)、受力狀態(tài)，溫度變化、跨度大小以及支承結(jié)構(gòu)的受力特點等具體情況加以綜合考慮[3]。

支座底板的作用是傳遞上部荷載，通過控制底板尺寸，來調(diào)節(jié)支座節(jié)點與混凝土柱頂?shù)慕佑|面積，將上部支座反力均勻的傳遞到柱頂上。錨栓應(yīng)埋于柱頂，一般取直徑20mm～25mm，為了安裝時便于調(diào)整屋架支座位置，底板上的錨栓孔直徑取錨栓直徑的2.0～2.5 倍，并開成橢圓孔。墊板厚度與底板相同，孔徑稍大于錨栓直徑，屋架安裝就位并經(jīng)調(diào)整正確后，將墊板與底板焊牢。

4.用鋼量

在方案比選時經(jīng)常需要對比平面桁架和網(wǎng)架的用鋼量，表1 列舉幾個工程案例情況。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可以看出，對于一般中小跨度的輕屋面網(wǎng)架，用鋼梁一般在20～30kg/m2。而相同情況下平面桁架用鋼量是網(wǎng)架用鋼量1.5 倍左右。

5.計算注意事項

網(wǎng)架和桁架的計算常規(guī)空間鋼結(jié)構(gòu)軟件均可計算，具體操作時以下經(jīng)驗可供參考。

（1）桿件分組。模型計算時出于經(jīng)濟(jì)性和施工方便性的考慮，會要求簡化桿件種類，因而會對桿件進(jìn)行分組。實際操作時在分組時選擇了過多的桿件規(guī)格，則容易使得用鋼量激增。同時，由于部分程序的功能限制，計算時須根據(jù)桿件應(yīng)力狀態(tài)人工干預(yù)選擇合適的桿件截面。

（2）起坡方式。若建筑造型要求起坡，桁架則選擇三角屋架或梯形屋架形式；而網(wǎng)架則有兩種選擇：一是選取平面網(wǎng)架+小立柱找坡，小立柱高度控制在0.5m 以內(nèi)。當(dāng)小立柱高度過高時，立柱存在穩(wěn)定性問題，這時再采用立柱又須解決立柱穩(wěn)定性問題，可改用結(jié)構(gòu)起坡形式。

（3）基準(zhǔn)孔向的定義。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)球節(jié)點設(shè)計時需要手動指定螺栓球的基準(zhǔn)孔向，上弦球節(jié)點孔向向上，下弦球節(jié)點孔向向下。需要注意的是3D3S 軟件默認(rèn)所有的螺栓球節(jié)點的基準(zhǔn)孔向為Z 正向。

（4）定義方位。模型初步建好后，須檢查下桿件局部坐標(biāo)的正確性。由于建模過程中一些桿件的調(diào)整，可能導(dǎo)致部分桿件的局部坐標(biāo)出現(xiàn)問題。此時，通過定義方位即指定K節(jié)點坐標(biāo)來調(diào)整。尤其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)手動進(jìn)行封邊處理時，四角部的豎向桿件可能會呈現(xiàn)Z 向無窮大的情況，此時需要定義K 點X 向無窮大，或Y 向無窮大。

（5）支座。當(dāng)支座與柱或梁不能完全重合時，可以通過增加柱或梁上牛腿的方式。需要注意的是，首先根據(jù)支座反力確定好支座底板面積，再由底板面積確定好所需預(yù)埋件以及柱或梁支撐面積。