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聊一聊大型网架结构设计

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引言
近些年来,伴随着我国经济的飞速发展,大跨度网架结构在建筑工程中的运用日益广泛。空间结构具有受力合理、总量轻、造价低以及形式活泼新颖、能够突出人类艺术创造力等优点,能够充分利用不同材料的特性,以适应各种变化的建筑造型的需要。但空间结构具有三维结构形体,在荷载作用下为三向受力,结构成形和受力分析都极为复杂。近年来,计算机的普及使得大跨度空间结构以异乎寻常的速度发展起来,对现代建筑产生了重大的影响。


为满足现代社会生活和居住环境的需要,人们需要更大的覆盖空间,如大型会场、体育馆、飞机库、展览馆和候车室等。这些建筑物的跨度要求越来越大,几十米甚至更大,满足这种大跨度要求的屋盖体系只能是空间结构,因而空间结构成为一种备受关注的结构形式。


一 网架结构的特点
网架结构最大的优势体现在大中跨度的屋盖结构,这时采用网架比采用门式刚架及钢屋架更经济合理。


网架结构最大的特点是由于杆件之间互相支撑作用,刚度大,整体陛好,抗震能力强,而且能够承受由于地基不均匀沉降所带来的不利影响;即使在个别杆件受到损伤的情况下,也能自动调节杆件内力,保持结构的安全。


网架结构的适应性大,既适用于中小跨度的建筑,也适用于大跨度的房屋,而且从建筑平面形式来说,网架结构也可以适应于各种平面形式的建筑:如矩形,圆形,扇形及各种多边形的平面建筑形式。


网架结构取材方便,一般多采用Q235钢或16Mn钢,杆件截面形式多采用钢管或型钢(型钢以角钢为主),并且可以用小规格的杆件截面建造大跨度的建筑。另外,网架结构由于它的杆件规格划一,适宜工厂化生产,为加速工程进度提供了有利条件和保证。


网架结构可用通用的计算程序进行分析,制图简便,加上网架本身所具有的特点和优越性,给网架结构的发展提供了有利的条件。


二、网架结构的形式

常用的网架结构形式有

1、由平面析架系组成的两向正交正放网架、两向正交斜放网架镢向斜交斜放网架)三向网架;


2、由四角锥体组成的正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、星型四角锥网架、棋盘形四角锥网架;


3、由三角锥体组成的三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂窝形三角锥网架。各种形式的网架结构的组成方式、几何特征、刚度特征、受力特征及施工特点。


网架结构的选型

网架的网格单元分为三大类:


1)交叉桁架体系:常见有两向正交正放、两向正交斜放、两向斜交斜放、三向、单向折线形。


2)四角锥体系:常见有正放四角锥、正放抽空四角锥、棋盘形四角锥、斜放四角锥、星形四角锥。


3)三角锥体系:常见有三角锥、抽空三角锥、蜂窝形三角锥。网架的支承情况一般有周边支承、点支承、三边或两边支承等形式。


网架的选型主要根据工程平面形状、尺寸、屋面荷载及构造以及材料供应情况等综合分析确定。表1给出了各种支撑情况及平面形状下适宜的网架类型。
  
三 网架结构设计分析
1、网格尺寸及网架高度的确定

衡量一个网架几何尺寸的优劣,其主要指标:一是网架的内力是否均匀,二是网架的用钢量在同样跨度及荷载下是否最省。一般网架设计时,建筑方案已定,这样,直接影响网架设计优劣的因素,主要是网格尺寸的大小和网架高度两个指标。


网架高度直接影响杆件内力大小,特别是上、下弦杆。当网架高度变大时,上下弦杆内力明显减小,部分腹杆内力也有所减少。网架高度与网架的跨度、荷载大小、节点形式、平面形状、支承情况及起拱等因素有关。


2、网架结构构造
网架结构的构造包括屋面排水坡度,多点支承网架的柱帽设计,再分式腹杆设计,网架的起拱度等。网架结构跨度大,屋面排水坡度应予以重视。通常有在上弦节点上加小立柱找坡、网架变高度找坡及整个网架起坡三种起坡形式。多点支承网架一般受力最大的是柱帽部分,设计施工时,应注意柱帽的处理。


3、网架结构计算方法
(1)计算中对称性的利用
空间网架结构为高次超静定体系,但其节点位移和杆件内力都是由最终的荷载状态控制。如果结构体系及所承受的荷载都是对称的,为减少计算工作量,可以取整个网架的1/2n(n为对称面数量 行分析。此时,对称面上所有被截断的杆件,应进行边界处理。


(2)网架节点构造
节点构造的好坏将直接影响网架的工作性能、安装质量及工程造价等。目前我国最常用的是钢板节点和球节点,球节点又分为焊接空心球节点和螺栓球节点。


a.钢板节点
钢板节点的特点是受力复杂,零件多,焊缝多,费钢材。尤其是弦杆的内力较大时,因不能另加盖板连接,只能靠节点板传力。这就增加了节点板内力分布的复杂性。在焊接钢板节点中,当角焊缝强度不足时,可采用槽焊与角焊缝为主的连接设计节点时应保证各汇交杆件的重心线交与一点,同时也应保证杆件连接焊缝的中心与杆件截面中心重合,避免产生偏心力。节点板厚度的选择与平面析架相同,一般根据相交杆的最大内力确定,应比连接杆件厚度~II2mm,且不小于6ram。


b.焊接空心球节点
它适用于采用钢管杆件的各种网架。其优点是:球体无方向性,可和任意方向的杆件相连,把钢管垂直于本身轴线切断,与空心球节点对接相连就自然对中,不产生偏心,节点受力明确。焊接空心球节点分加肋和不加肋两种。近年来这种节点已渐渐被螺栓球节点所取代。


c.螺栓球节点
螺栓球节点由于杆件端部缩小,使节点也缩小了,重量轻,形状轻巧美观。每个节点最多可连十八根杆件。节点处的焊接工作量大大减少,安装极为方便,可以拆卸,甚至部需要脚手架就可以在高空逐杆拼装。可用于各类网架,尤以用于四角锥和三角锥组成的网架为好,用钢量约占网架用钢量的1/10,比焊接球节点省钢50%。但是这种节点的缺点使球体加工复杂,价格高,同时钢管端部开孔(放人螺栓用),不利于防锈,要内外镀锌,而且螺栓球节点属于铰接。
  

四、结论
大跨度网架结构的组成形式,对各种网架形式进行了比较,分析了大跨度网架结构的特点、计算方法及节点构造等内容。网架节点构造的好坏将直接影响网架的作性能、安装质量及工程造价。在进行网架设计时,应在满足工作可靠,构造简单,加工核安装方便,且节约钢材的条件下选择合适的节点。
参考文献:
【l】蓝天,张毅刚.大跨度屋盖结构抗震设计.北京:中国建筑工业出版社, 2000.
【2】李国强,李杰,苏小卒.建筑结构抗震设计.北京:中国建筑工业出版社,2002

注:转自壹元工程助手


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