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我国空间网架结构应用发展分析

2010-08-15张玉萍

山西建筑 2010年19期
关键词:网架钢结构节点

张玉萍 温 欣

网架结构是一种平板型的,由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而形成的空间结构,属于空间铰接杆系,多次超稳定空间结构,具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。

构成网架的基本单元包括三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等,由这些基本单元可组合成平面桁架系网架,四面锥体系网架,三角锥体系网架等不同网架形式;根据网架连接节点形式不同,一般可以分为焊接球节点,螺栓球节点,钢板节点三大类。

我国于1964年建成第一个平板网架(上海师范学院球类房,31.5 m×40.5 m);在1967年建成的首都体育馆采用斜放正交网架,其矩形平面尺寸为99 m×112 m,厚6 m,采用型钢构件,高强螺栓连接;1973年建成的上海万人体育馆采用圆形平面的三向网架净架110 m,厚6 m,采用圆钢管构件和焊接空心球节点;20世纪80年代后期北京为迎接1990年亚运会兴建的一批体育建筑中大部分皆采用平板网架结构;时至今日,空间网架结构在我国的应用已经比较广泛,被广泛用作体育馆、展览馆、俱乐部、影剧院、食堂、会议室、候车厅、飞机库、车间等的屋盖结构。

1 网架结构应用特点分析

网架结构的结构形式特点决定了网架作为一种空间杆系结构,具有三维受力特点,能承受各方向的作用,具体体现为以下几个方面:

1)网架结构的刚度大,整体性好,抗震能力强。网架结构是由很多杆件从两个或几个方向有规律地组成的高次超静定空间结构,由于杆件之间的相互支持作用,它改变了平面桁架受力体系,能承受来自各方的荷载,其刚度大、整体性好、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,自动调节杆件内力,从而保持结构安全。2)网架结构的自重轻,节约钢材。钢管网架用钢量一般为20 kg/m2左右,而跨度在100 m左右的网架用钢量为65 kg/m2。随着选材的不同,百米跨度的网架结构用料量也可以大幅度降低,以上海浦东游泳馆为例:屋面呈贝壳流线形,其屋顶网架采用铝钛合金制作,它的用材量为24 kg/m2,仅为普通网架结构材料的1/3重,相应也减轻了屋面荷载。3)网架结构适应于各种平面形式的建筑。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,从建筑物平面形式来说,它适于矩形、圆形、扇形及各种多边形的平面建筑形式。4)网架结构取材方便。网架结构一般取材于Q235或Q345钢,杆件截面形式多采用钢管或型钢,有钢板节点网架、螺杆球节点网架、支座节点网架、焊接球节点网架多种节点网架形式,取材方便,方便施工。5)网架结构适宜于工厂化生产。由于网架结构的杆件或部件规格划一,适应工厂化生产,从而为加快工程进度提供了有利条件和保证。

2 网架结构设计流程和施工要点分析

2.1 网架结构设计流程

网架结构的设计应符合我国相关规范的要求,同时结合网架结构的特点,进行具体设计,一般可以分为模型分析,网架计算,施工图调整三个阶段。

1)模型分析阶段。应当注意初期网格尺寸的划分,网架厚度的选取,平面上调整支座位置等关键点的确定;对于网架边缘,支座位置的调整,应当遵守“两个满足,反复调整”的原则,即既要满足网架受力的结构特点,又要满足建筑外形,同时调整模型接近至图纸要求水平;应对CAD三维命令及相应的空间建模工具熟悉,以加快建模速度。2)网架结构计算阶段。网架计算过程中,对于支座情况的设置,荷载的输入,工况的组合,以及计算结果的调整等重要环节应引起足够重视,具体而言包括风荷载是否能够准确输入,针对于真实情况下的支座构件情况的模拟是否准确,工况组合的时候中分项系数设置的考虑是否适宜,对于计算结构中内力或挠度不满足规范要求情况的调整方法的掌握,以及对于几何可变情况的检查和网架结构连接节点中对于螺栓大小的控制是否合适等。3)施工图调整阶段。施工图调整阶段主要是节点施工图的计算和加工施工图的出图,在此过程应当注意以下几点问题:a.出加工图以前,施工单位应当复核现场的所有支座位置的准确坐标,根据现有的支座坐标调整模型中的支座位置,计算满足后才能够出具加工图;b.在计算球图的时候,应注意基准面的选取,一般上弦层工艺孔朝上,下弦层一般也朝上,若需要吊顶则工艺孔朝下。水平网架一般都选水平面为基准面,弧形网架一般都选用拟合平面比较好,但是多个弧线相交的位置最好重新用其他基准面来计算;c.对于网架模型在计算软件里面,平面所在的位置,一定要移动到基点,否则出图会产生很多微小角度上的差别,影响网架球的安装。总而言之,在设计阶段最终应当满足“模型尺寸正确,荷载施加准确,工况组合全面,控制指标不超”的要求。

2.2 网架结构施工要点

2.2.1 网架结构的安装方法

网架结构的施工应符合我国JGJ 7-91网架结构设计与施工规程,JGJ 78-91网架结构工程质量检验评定标准,GB 50017-2003钢结构设计规范,GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范,GB 50011-2008建筑抗震设计规范等相关规范要求。

网架结构的安装方法应该在满足工程质量、安全、进度和经济效果的要求下,结合当地的施工技术条件,充分考虑网架不同类型和受力,构造特点等影响因素综合确定,具体安装方法包括:

1)高空散装法。适用于螺栓连接节点的各种类型网架,并宜采用少支架的悬挑施工方法。2)分条或分块安装法。适用于分割后刚度和受力状况改变较小的网架,如两向正交正放四角锥、正放抽空四角锥等网架,分条或分块的大小应根据起重能力而定。3)高空滑移法。适用于正放四角锥、正放抽空四角锥、两向正交正放四角锥等网架,滑移时滑移单元应保证成为几何不变体系。4)整体吊装法。适用于各种类型的网架,吊装时可在高空平移或旋转就位。5)整体提升法。适用于周边支承及多点支承网架,可用升板机、液压千斤顶等小型机具进行施工。6)整体顶升法。适用于支点较少的多点支承网架。

2.2.2 网架结构安装的相关注意事项

1)采用吊装或提升、顶升的安装方法,其吊点的位置和数量的选择,应考虑下列因素:a.宜与网架结构使用时的受力状况相接近;b.吊点的最大反力不应大于起重设备的负荷能力;c.各起重设备的负荷宜接近。2)安装方法选定后,应分别对网架施工阶段的吊点反力、挠度、杆件内力、提升或顶升时支承柱的稳定性和风载下网架的水平推力等项进行验算,必要时应采取加固措施。施工荷载应包括施工阶段的结构自重及各种施工活荷载。安装阶段的动力系数,当采用提升法或顶升法施工时,可取1.1;当采用拔杆吊装时,可取1.2;当采用履带式或汽车式起重机吊装时,可取1.3。3)无论采用何种施工方法,在正式施工前均应进行试拼及试安装,当确有把握时方可进行正式施工。4)在网架结构施工时,必须认真清除钢材表面的氧化皮和锈蚀等污染物,并及时采取防腐蚀措施。

3 空间网架结构发展对策及今后研究方向

3.1 空间网架结构发展对策分析

1)网架结构的设计技术参数与工程实际应相符合。在实际工作中,往往忽视空调机、风管、空调水、消防等设施引起的荷载,等到网架安装时,或是设备、装修施工时,问题才充分暴露出来,导致设备安装、吊顶装修不得不屈同网架结构,从而给室内装修空间利用带来诸多麻烦,影响最终效果。2)网架结构的室内精装修方案应先于网架结构设计。网架结构的室内精装方案是建筑设计院做的初步方案,在实施前,建设方应重视请装修设计单位预先进行精装修方案的设计,以避免在精装修阶段增加网架结构设计未考虑到的荷载,实施时产生设计与装修的矛盾,导致精装修屈同于网架结构设计,使精装修难以实现预定目标。3)网架结构的安装方法应体现在合同中。网架结构的安装方法在合同中往往留下伏笔,当进现场作业时,碰到的第一个问题是施工组织设计,涉及到的重要问题之一是安装方法的采用,从而也就涉及到施工费用问题,导致甲方不得不让步于安装单位,增加不必增加的费用,以保证网架的安装进度。

3.2 空间网架结构今后研究方向

随着我国经济实力的增强,空间网架结构科研工作的深入,各种计算手段的丰富,我国今后空间网架结构的发展呈现以下趋势:1)结构形式多样化,空间网架结构多姿多彩。近年来兴建的大型公共建筑大多都采用了钢管杆件直接汇交的管桁网架结构,它的外形丰富、结构轻巧,传力简捷、制作安装方便、经济效果好,正在引起日益广泛的重视和应用。2)现代预应力技术的引入使空间网架结构更具活力。在大跨度空间网架结构中引入现代预应力技术,使结构体形更为丰富的同时,也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。目前许多高校对涉及索托结构,索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系正在进行理论研究,积极准备工程实践,可以预期新型的预应力大跨空间网架钢结构在将来必将有广阔的发展空间。3)结构新材料的应用进一步推动空间网架结构的发展。在普通碳素钢获得大量应用的同时,不锈钢、铝合金、膜材也在许多大跨度网架建筑中获得了应用,国际上已有许多专业生产公司建成了较多的铝合金结构。我国的相关科研院所和企业也已经开始进行基础性研究和工程实践,积极进行产品研制、开发,并进行了一些工程实践,取得了较好的技术经济效果。4)计算技术的进步为空间网架结构的发展创造了有利条件。当前已经研发出一些网架分析软件,一般这些软件都具有完善的前后处理功能,可在计算机上进行复杂的空间网格结构设计,随着研究的深入,软件程序在功能上将更趋完善,涵盖面也将会不断扩展。5)产、学、研紧密结合是推动空间网架结构发展的源动力。从20年来网架生产企业的发展过程可以看出坚持产、学、研相结合是企业兴旺发达的重要保证。未来产、学、研一体化的更加紧密结合将可以使得企业最便捷地将科研成果转化为生产力,以最新技术促进产品质量的提高,加速产品更新换代,增强在市场竞争中的优势。

4 结语

空间网架结构今后发展的一个重要趋势就是大跨度空间网架结构,大跨空间网架结构也是衡量我国建筑科技水平的重要标志之一,我国当前针对于大跨度空间网架结构所涉及需要的新体系、新技术、新材料还存在很大欠缺,有待进一步研究和完善,以更充分的体现大跨度空间网架结构的先进性、经济性与合理性,最终促使我国空间钢结构积极、健康地发展,更好的为我国经济建筑服务。

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