基于設計的網架結構經濟性影響因素分析

謝軍君

【摘要】在近年來我國大跨度結構發展迅速，網架結構以其優美的建筑造型和良好的力學性能而廣泛應用于大跨度結構中。針對網架結構的相關研究也比較豐富，早期由于計算機輔助設計相對落后，簡化計算方法研究比較盛行，代表的計算方法有：交叉梁系差分法、擬夾層板法、假想彎矩法等[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]。也有利用網架結構設計手冊進行輔助設計[12]，隨著計算機技術的飛速發展，有限元軟件輔助設計越來越普及，網架結構常用有限元計算軟件有midasgen、3d3s、MST等，用其進行網架設計和施工圖繪制都比較方便。就目前收集的論文資料來看，有的研究偏于學術，有的對單個知識點挖掘較深，有的只針對某個工程做出一些延伸討論，得出的結論有一定局限性，系統性不強，設計覆蓋面過于狹隘，針對規范[1] [2]的改版，荷載取值和材料強度都有了較大變化（如可靠度統一標準和低合金高強度結構鋼，新鋼規性能化設計等），原有的空間網格技術規程部分內容已滯后較多（其單方用鋼量計算公式本來考慮的因素就不足）。本課題是基于網架結構正常設計流程，依據新規范，進行系統性擴展研究，利用3d3S.V14進行建模和施工成圖，探究各變量和單方用鋼量的內在變化規律。為后續設計施工提供有力的技術支持。

【關鍵詞】網架結構;經濟性;影響因素;設計

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、模型概況

本文以應用最廣的正放四凌錐網架為例，根據常用柱距，網格尺寸和數量構造要求，得出了大中小跨度共7組平面如圖 1-1、1-2、1-3。

1.1小跨度網架<=30m

2.0*12=24m;2.5*12=30m

1.2 30<中等跨度網架<=60

2.5*15=37.5 m;3*15=45m;3.5*15=52.5 m變網格尺寸網格數量固定為15格。

1.3大跨度網架>60

3.5*18=63 m;4*18=72 m變網格尺寸網格數量固定為18格。

2、模型荷載

恒荷載按：

0.5KN/m2/：0.5=（0.3上弦+0.2下弦）;

1 KN/m2：1=（0.6上弦+0.4下弦）;

1.5 KN/m2;1.5=（1上弦+0.5下弦）

活荷載按0.5

地震作用按6、7、8度，

風荷載按0.45，屋面坡度5%，坡度較小基本為風吸力，其組合主要考慮其抗拔荷載。

溫度作用按-25℃～+25℃

3、其他情況

根據網架跨高比，對跨中高度做出限制，如1/12、1/15、1/18、1/20、1/25

鋼材Q235B，Q355B。

網架應力比按0.8控

網架位移按1/250控

長細比控制拉桿1/250壓桿1/180

7（平面）*3（荷載）*3（烈度）*5（跨高比）*2（鋼材）=630個模型

4、Q235鋼跨高比對經濟性的影響（單方用鋼量kg/m2）

小跨度網架可見在小中荷載的情況下24m跨度和30m跨度，跨高比1 /15以內網架用鋼量基本一致，結合小跨度網架控制最小桿件φ48x3.5，其占比達到總用鋼量的50%左右，從桿件應力比來看多數應力比較小，表現為青藍色區域較多，桿件未充分發揮作用，桿件應力比小于0.5以下的占比80%以上，實際為材料的浪費。建議24m跨度以內的網架，最小桿件要求可適當放寬。

此外就網架厚度來講，小跨度中小荷載下，桁架跨高比1/18～1/20是性價比最高的，可以最大限度的增加建筑凈高，且用鋼量增幅不大。當荷載較小也可做到極限1/25，但其用鋼量會大幅度上升，我們稱斜率轉折點為應力和位移控制分界點，在分界點前隨著跨高比加大，桿件應力斜率較小，桿件截面增長較小，整體用鋼量增幅不大，過了應力位移控制點，網架為了滿足自身剛度位移要求，其桿件內力增幅非常大，導致截面增幅加大，例如圖示30m跨度，大荷載，1/25跨高比情況下，由于跨度和荷載的雙重作用加上網架厚度小，桁架的上下弦桿局部應力超限，如30m跨度1.5荷載情況下，1/20的跨高比，其支座桿件截面已經達到φ325x20，若再增大跨高比，桿件可選截面超出截面庫的最大截面導致桁架設計已經不合理。

中等跨度網架30～45m跨度，在荷載較小的情況下，1/18的跨高比仍然是比較合理的，圖中37.5m跨和45m跨甚至出現了交集，所以應力比較小的情況下，相同的跨高比大跨度不一定會比小跨度網架單方用鋼量大。其他影響因素如支座情況，網格情況，網架類型等，本文未列入考慮因素。荷載加大后，網架高度宜取1/12～1/15，當荷載進一步加大后，網架高度限制在1/12左右比較合理，而45～60m跨度網架，特別是50左右的跨度，荷載較大情況下Q235鋼強度不夠，桿件截面過大，只有將跨高比限制在1/12以內才能實現。

大跨度網架在荷載特別小的情況下，跨高比宜控制在1/12以內方可實現，一般情況下大跨度網架不建議采用Q235。

鋼材強度提高后和Q235相比1/25大中小荷載都能實現，但用鋼量還是有較大增長的，合理跨高比控制在1/20比較合適。當跨高比1/15時小荷載存在波谷的情況，即Q345、小荷載、小跨度桁架，1/15可以做到最經濟的，在極限跨高比下小跨度的網架用鋼量對荷載更為敏感。

中等跨度網架小荷載情況下，q345、極限跨高比情況下會發揮作用，能夠讓跨度大些的網架更加經濟，中等荷載下跨高比1/18情況下較大跨度反而比小跨度經濟，大荷載下這個跨高比變成了1/15.綜合來看中等荷載中等跨度網架只有在跨高比突破1/20的情況下才是位移控制，而大荷載45m跨度下這個應力轉擇點提前到1/15。

45～60m跨度網架，無論大中小荷載，極值點都在1/15，可見此類跨度經濟跨高比優選1/15，跨高比突破1/15時，用鋼量會經歷雙折線上升。52.5m跨度比45m跨度用鋼量增長幅度要小些。荷載和跨度都較大時，1/20也成了Q345的極限跨高比。

大跨度網架一般跨度大，荷載取值也比較大，其適用跨高比就比較局促了，一般情況下宜采用1/12～1/15是比較合理的，跨度再大一些，雙層網架的剛度較弱壓桿長細比過大，雙層網架這類結構形式無論整體穩定性還是局部穩定性來講，都不再適合。

研究結論：

本文通過對實際工程的提煉，結合本文前幾章的構造和荷載計算要求提出了630個理論模型進行計算和施工成圖，計算結果經過分析得出了單方用鋼量和跨高比，鋼材型號，荷載，設防烈度等之間的內在規律。

Q235鋼不宜用于大跨度網架，中等跨度網架30～45m跨，使用時宜將跨高比控制在1/18，45～60m跨度宜將跨高比控制在1/15。

小跨度網架可采用Q235，荷載較小的簡易屋面跨高比可達到1/25，其余情況宜控制在1/20，1/15～1/18是性價比較高的跨高比范圍，24m跨度以內的小跨度網架，若按最小桿件φ48x3.5控制，多數桿件應力比較小，建議可適當放寬最小桿件要求。

Q355鋼強度較高，可用于大跨網架，跨度60～72m，其合理跨高比1/12～1/15，當荷載較小時也可達到1/20，跨度更大時，宜縮小跨高比，考慮到結構的整體穩定性和桿件的長細比等影響因素，宜采用三層及以上的網架。

Q355用于中等跨度網架時，經濟跨高比為1/15，合理跨高比1/12～1/20，小荷載情況下可達1/25。

小跨度網架宜采用Q355，經濟跨高比同樣是1/15，可選跨高比范圍較大，一般可取1/12～1/25，其中跨高比1/12～1/20用鋼量波動不大在20%以內，跨高比1/20～1/25時用鋼量增幅會達到50%。

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