正放四角錐網架結構在大型鋼結構場館中的設計與施工要點

毛增明

中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350

傳統的建筑結構形式，如鋼筋混凝土框架結構，其結構跨度往往受到柱網間距的限制，同時，較大的混凝土結構自重也對下部結構及地基基礎提出了較高的承載力要求，對工程的整體設計較為不利。與此同時，網架結構因其自重輕、設計靈活等優勢，在大跨度空間結構形式選擇中得到了設計者們的青睞[1-2]。

網架結構的應用日趨廣泛，國內外學者對此也進行了較多的研究。計榮利等[3]依托某大跨度空間網架結構工程，對大跨度的空間網架結構在輔助支撐拆除時的桿件應力情況進行了研究，并分析了輔助支撐在拆除前與拆除后的安全性。傅水明[4]針對空間網架結構的缺陷，如易銹蝕、變形等，認為保持空間網架結構能長期可靠、安全的必要措施之一，是定期對網架結構進行相關的正常使用性鑒定。趙俊亮等[5]依托某大面積、大跨度的結構廠房施工實踐，對其支撐體系設置、整體提升、負載轉移、提升平臺設計、吊點設置等一系列的施工難點進行了介紹，同時依靠有限元仿真的分析方法，達到了網架各吊點整體同步提升以及順利卸載落位的預期目標。孫學根等[6]針對霍邱體育中心體育館鋼結構屋蓋在卸載過程中的難點，提出了一種針對支撐卸載的較為實用的方法，且通過有限元法實時監測了卸載時的關鍵構件應力與結構位移，并進一步探討了該大跨度屋面鋼結構在卸載時的可行性以及安全性。

目前，行業中關于網架結構的研究較多，但是對大跨度的空間網架結構進行系統設計與施工分析的相關研究較少。因此，本文以某具體工程實例為基礎，從變形性能、受力性能、控制組合工況以及經濟性等出發，詳細介紹了網架結構設計的關鍵內容。

1 網架結構的應用特點

網架結構一般為高次超靜定結構，且三維受力，其是由若干桿件遵循一定的規則連接而成的網狀空間桿系結構。在網架結構中，桿件于空間相互交會，既是受力桿件，又互為支撐，協同工作。網架結構占用的空間較小，而可利用的空間較大，各種管道線路等均可在網架上下弦之間布置，從而實現了以較小規格的桿件束來建造大跨度結構的目標。

當下，網架結構的發展速度很快，在國內外的應用范圍日趨廣泛，其原因有如下幾點：

1）網架結構設計靈活，能以較少的用鋼量形成較大的跨度，同時網架空間為三向受力，較為合理。

2）網架結構可由工廠預先制作加工，現場組拼后提升施工，裝配化程度高，能縮短工期，具有較好的環保與經濟效益。

3）對于各種跨度的公共建筑、廠房建筑等，網架結構均能適用，能滿足設計師針對施工工藝或者是建筑功能的各種需求。

4）網架結構造型美觀，在外形、建筑平面以及空間表觀等方面，都能滿足設計師的創作需求，設計自由度較大。

2 應用工程概況

某水上藝術中心項目包含藝術交流、接待、藝術創造、藝術展示等功能，坐落在安順市開發區婁家湖旁，工程類別為公共建筑，基建面積23 616 m2，建筑面積5 469.2 m2，由7個館構成，如圖1所示。其中3個館坐落于湖內，結構形式為鋼結構，建筑防火等級為一級，建筑等級為一級，建筑層數2層（局部1層）。

圖1 水上藝術中心整體效果圖

在7個鋼結構場館中，為滿足建筑使用空間的需要，1#—6#館屋面網架的結構形式均為正放四角錐網架，7#館為1層鋼框架結構。1#—6#館采用螺栓球節點連接，周邊支承于鋼柱頂端，下弦支撐；地震烈度為6度，設計基本加速度為0.05g，設計地震組別為第一組，場地土類別為Ⅱ類。

3 網架結構的設計要點

3.1 結構體系選擇

本文以1#館展廳的鋼結構網架設計為例。該1#館網架平面長度約為42.6 m，寬度約為29.4 m，長寬比小于1.5，該展廳屋面網架的設計立面如圖2所示。

圖2 1#館展廳立面設計示意

根據行業標準JGJ 7—1991《網架結構設計與施工規程》的有關建議，網架形式可供選擇的有正放抽空四角錐網架、斜放四角錐網架、兩向正交斜放網架、棋盤形四角錐網架、正放四角錐網架和兩向正交正放網架。

綜合對比分析各網架結構形式，正放四角錐網架造型簡潔，用鋼量最省，節點數量與桿件的數量均最少，同時，該結構形式也便于屋面的排水處理，也即天窗的設置。另外，從結構剛度、網架整體的受力性能來看，相比其他網架形式，正放四角錐網架的上述性能都更好，延性也較好，且受力均勻，因此，本工程擬采用正放四角錐網架結構形式。

3.2 設計參數確定

1）設計荷載。本工程網架結構的設計荷載均按GB 50009—2001《建筑結構荷載規定》以及JGJ 7—1991《網架結構設計與施工規程》的有關規定取值。在具體建模實施時，應當考慮恒荷載（包括上弦恒荷載與下弦恒荷載）、活荷載、溫度荷載以及風荷載等相關荷載類型。

2）荷載組合。本網架結構在建模計算時，針對實際情況，荷載工況組合時主要考慮的因素有恒荷載、活荷載和風荷載。建模之后，應當分析比較各荷載工況組合下所產生內力和位移的大小，從中找出最不利工況組合，驗算其安全性。

3）網架自重。在建模時，網架自重可以由計算機自動形成，對于螺栓球節點的形式，可按網架自重的20%來計算，而對于焊接空心球節點形式，其可按網架自重的30%來計算。

4）支座假定。在本工程支座節點實際設計時，由于設計采用的平板支座形式的角位移受到了約束，因此在設計時，可在支座底板上開設橢圓螺栓孔。故而，該網架在克服支座的摩擦力后，可以在水平方向上產生相應位移。對于本工程，支座的邊界條件可近似假定為彈性支座。

3.3 材料選型規定

按設計文件要求，綜合考慮現場實際情況，本工程的材料選型如下：

1）鋼管所用材質為高頻焊接鋼管或無縫鋼管，型號為Q235B鋼材。

2）螺栓球節點采用的材質為GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》中的45號鋼。

3）螺栓、螺釘所用材質為40Cr鋼。

4）封板、錐頭所用材質為Q235鋼，鋼管直徑大于75 mm時須采用錐頭。

5）焊接時，Q235鋼材與Q235鋼材之間所用材質為E43系列焊條，Q235鋼材與Q345鋼材之間所用材質為E50系列焊條。

3.4 計算結果分析

由前文可知，對于正放四角錐網架的設計形式，可適當考慮抽空形式，因此，本工程對比分析了正放抽空四角錐網架結構以及正放四角錐網架結構這2種模型（圖3、圖4）的受力性能，從而達到優化設計的目的。在實際建模過程中，于正放四角錐網架模型的基礎上，在局部位置抽空網架中部規則的四角錐，即形成抽空四角錐網架。為更好地進行對比分析，其他計算參數在建模時均保持一致。

圖3 正放四角錐網架

圖4 正放抽空四角錐網架

應當注意的是，在對四角錐網架進行抽空試算時，應避免使形成的抽空四角錐網架成為幾何可變體系，網架結構是高次超靜定結構，幾何可變形式在工程實際中是絕對不允許的。同時，在實際建模時，還分別采用了螺栓球節點和焊接空心球節點對以上2種網架的結構體系進行計算，即一共建立4種模型進行對比分析，分別是螺栓球節點的正放四角錐網架、焊接空心球節點的正放四角錐網架、螺栓球節點的正放抽空四角錐網架、焊接空心球節點的正放抽空四角錐網架。通過模擬計算結果，對比分析螺栓球節點和焊接空心球節點的網架受力性能與變形性能。

按照相關規范的規定，綜合該工程的實際場地特征，本文考慮了恒荷載、活荷載和風荷載3種荷載形式的共16種組合工況。在組合工況中，在整體上，恒荷載與活荷載以均布方式加載，接著將荷載均勻分配至四角錐的4個節點上，最后將分配到四角錐各個節點的力疊加起來，即為最后的各節點荷載；在不同區域，風荷載則采取分別加正負荷載的方式，其加載形式與前相同。

本文應用MST2008分析程序，對4個網架模型分別進行滿應力分析，從而得到各節點位移、各桿件內力以及桿件用鋼量等計算結果。

對各模型的相應計算結果進行分析，可得出以下幾個結論：1）對于網架的受力性能，節點形式對其的影響較小。2）在受力性能與剛度方面，正放四角錐網架比正放抽空四角錐網架更好。

3）對比正放四角錐網架和正放抽空四角錐網架，采用正放抽空四角錐網架之后，因部分四角錐被拿出，故網架的桿件質量有所減少，但本工程整體質量減少不多，因此經濟方面的改善并不明顯。

綜上所述，抽空四角錐網架的計算方法較為復雜，設計過程中要通過不斷地試算，避免使結構變成幾何可變體系，不符合設計要求。

抽空四角錐網架的試算環節增加了設計工作量，對于結構設計效率的提高非常不利。同時，正放抽空四角錐網架存在較多缺陷，如剛度較小、結構桿件受力不均等，該結構形式的設計桿件也較為復雜，截面類型較多，這對后期制作與施工等非常不利。另外，在經濟性方面，抽空四角錐網架相對四角錐網架并沒有提高很大的幅度。因此，對于本工程大中跨度的網架來說，抽空四角錐網架是不宜采用的。

3.5 控制工況比較

本工程對上述4個模型在各種工況組合下的桿件最大內力和位移進行了相應比較，以考察桿件截面由哪種工況組合控制。比較時應全面、細致，綜合考慮，從而找出結構工況的最不利組合。

經上述分析，本工程最終選擇了螺栓球節點的正放四角錐網架，從而實現了經濟性與技術性的雙重效益。

4 關鍵施工要點

結構設計是結構選型、桿件設計和優化設計的重要環節，而結構施工則是實現結構設計構想和優雅外觀的最重要的環節。網架結構在安裝施工時，必須充分考慮網架結構吊裝工況、強度、剛度和穩定性等，使之滿足設計與規范的要求。

目前，根據結構特點和現場條件，大跨度網架結構的安裝方法有高空散裝法、分條或分塊安裝法、整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法、多機抬吊法、高空散裝法和分段吊裝法等。本工程結合實際情況和項目特點，采用了起步跨網架整體吊裝后，再高空散裝后續桿件的方法，既保證了施工質量，又提高了施工工效，節約了施工成本。

本工程采用正放四角錐網架結構，鋼結構設計標準較高，具有建設周期短、任務量大、專業工程多等特點。因此，必須在公司的統一協調指揮下，集中優勢力量，將先進的施工技術應用至現場，優質、高效、低成本地完成本工程。為此，本網架結構安裝遵循以下原則和規定：

1）臨時支撐的拆除實際是施工荷載轉移的過程，在荷載轉移的過程中，必須遵循“變形協調、卸載均衡”的原則。在卸載時如不符合要求，則有可能造成臨時支撐的超載或失穩等，從而導致網架結構局部坍塌甚至整體受損。

2）根據“變形協調、卸載均衡”的原則，在臨時支撐拆除時，為保證安全，應通過放置在支架上的可調節點支承裝置，例如柱帽或千斤頂等設備，采用多次循環、微量下降的方式，以實現荷載的平衡轉移，本工程網架卸載的順序為：由中間向四周，以中心對稱的方式進行。

3）在正放四角錐網架拼裝完成后，應及時拆除支架（即臨時支承點），從而使網架由臨時支承狀態平穩地過渡到設計永久支座的狀態，此過程也即網架落位的過程。網架落位的過程實際是使屋蓋網架緩慢協同作用，并達到空間受力效果的一個過程。在該過程中，網架結構會發生較大的內力重分布現象，并由臨時支承狀態逐步過渡到設計狀態。由此可知，網架的落位工序非常重要，施工前應采取合理的落位順序和相應的落位措施，從而確保網架落位過程的安全。

4）網架落位后，應當對整個網架的整體安裝精度進行檢測，包括各支座的位置尺寸、高程以及偏差，若有偏差應當及時調整，并將尚未固定的支座固定好，至此即完成了該工程正放四角錐網架的安裝施工。

5 結語

本文結合實際工程案例，較為全面地介紹了正放四角錐網架結構形式的設計要點，針對項目采取的起步跨先整體吊裝，再高空散拼后續桿件的施工工藝，明確了網架安裝時的重要注意事項。未來，大空間結構形式的建筑將越來越多，而網架結構形式也將進一步得到發展。正放四角錐網架結構形式設計靈活、造型大方、經濟合理，本文所介紹的設計與施工技術可為今后類似的大跨度結構形式的項目提供參考。