网架结构设计体会

龚丽敏

(西山煤电集团设计院，山西太原 030053)

随着社会发展和工程建设的需要、生产的标准化和工厂化的提高，以及电子计算技术的普及应用，空间网架结构在我国得到迅速发展，它受力合理、空间刚度大、整体性强、制作安装方便、造价较低，被广泛应用于工业厂房及各类大中跨度的公共建筑，如体育馆、展览馆、大型商场、车库、飞机库等等。本文根据自己的工作实践总结了一些设计经验，提出粗浅的看法，由于水平有限，错误在所难免，请大家包涵。

1 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。

2 网架结构的材料选择

2.1 材料选择

空间网架结构大多数采用钢材，主要是Q235B钢或Q345钢，一般网架结构采用Q235B级钢即可。大跨度网架结构中主要采用Q345钢。焊接球、封板、锥头同样可采用Q235B级钢或Q345钢，其钢号宜与杆件统一。高强度螺栓采用40Cr钢较好，螺栓球宜采用45号钢。

2.2 材料强度取值

钢管在出厂时难免存在结构缺陷，所以在设计时常将钢材设计强度乘以折减系数0.9，不锈钢材料设计强度取值在此基础上再乘以折减系数0.9。如果网架中同时存在不锈钢，有两种计算方法可供选择:第一，将不锈钢杆件附近的Q235B钢或Q345钢杆件截面按不锈钢杆件材料设计。第二，网架中不锈钢部分均采用Q235B钢或Q345钢外包不锈钢形式，材料强度依然按Q235B钢或Q345钢取值。

3 杆件设计

3.1 杆件截面设计

网架结构的杆件截面形式有圆形钢、方形钢、轧制型钢、冷弯薄壁型钢等。其中圆形钢截面光滑，端部密封之后具有较好的防腐性，它各方向惯性矩相同，回转半径大，对受压受扭均有利，其受力性能比其他形式截面要好，在网架结构设计中被广泛采用。

圆形钢按制作方法可分为高频焊管和轧制的无缝钢管两种，高频焊管价低壁薄，在设计中对于壁厚5 mm以下圆钢管宜优先采用高频焊管。壁厚5 mm以上钢管多采用无缝钢管。高频焊管属于b类截面，无缝钢管属于a类截面。在λ相同情况下，a类截面的杆件轴心受压稳定系数比b类截面大，设计中应严格区分杆件的截面类别。

网架杆件通常均按轴心受力构件设计，对于网架下弦荷载(如吊顶或马道等)应将其构造设计为可以将荷载直接传到网架的节点上，否则下弦杆需要按拉弯构件进行设计，并且要提高螺栓的抗剪承载力。

3.2 杆件长细比控制

在网架支座附近的杆件，其受力较复杂，拉压性质有可能发生变化，因此建议其长细比限值都取［λ］=180，这样可以有效保证其刚度的连续性。

3.3 杆件及螺栓的调整

网架结构属于超静定结构，其可靠性要强于平面结构。仅个别杆件破坏一般不会导致整体倒塌。例如，陕西省体育馆网架在一次事故中，个别杆件温度高到700℃，已退出工作，但整体仍未倒塌。但是，如果设计错误，施工质量太差，同样的情况也会发生倒塌。天津地毯仓库48 m×72 m网架及内蒙玻化车间20 m×36 m网架倒塌事例便印证了这一结论。因此，对于大跨度空间网架结构，相邻杆件截面应进行人工调整，避免相差过于悬殊，杆件计算要采用弹性计算方法，受压杆件的长细比要留有富余，以利于杆件内力重分布。

杆件截面需要调整时，应重新进行分析，使其满足设计要求为止。网格结构设计后，杆件不宜替换，如必须替换时，应根据截面及刚度等效的原则进行。在杆件代用中，盲目以大代小的观念是危险和错误的，杆件断面的局部加大在引起杆件变形减小的同时也会造成杆件内力的性质和大小的变化，存在着不安全隐患，因此杆件代替以大代小要经过设计验证来确定。

在SFCAD软件中，当支座附近的杆件受力性质发生变化，压杆变拉杆后小螺栓常常会被拉断。而在MSTCAD软件中，针对此问题对不同管径匹配了最小螺栓。

4 支座选型及设计

4.1 支座选型

网架支座构造应符合设计要求。压力支座能限制转动与滑动，常用于中小跨度网架。橡胶支座不会生锈，可以双向变形，氯丁橡胶支座及经过外包聚氨酯或酚醛树脂以及环氧玻璃布保护的橡胶支座抗老化能力较强。即便是老化的橡胶支座不但可以承受压力，而且在活荷载作用下发生的转角，网架也能承受。

橡胶支座造价一般不超过球铰支座价格的15%，在设计中支座反力300 t以内的网架支座应尽可能采用橡胶支座。

4.2 支座设计

网架支座的假定应与实际构造相符合。SFCAD软件中要求输入其弹性刚度。如果在设计中不区分独立柱支承、圈梁支承等等而简单地输入程序默认值，会使网架设计错误。MSTCAD软件则将网架与下部结构共同输入计算，较好地处理了该问题。网架支座的设置部位及个数的确定是以保证所有支座均受压力为原则。

下弦支承的网架支座均取消下部的基准孔，在上部留φ14孔深度30 mm的基准定位孔，支座立板的上部留成圆弧形，构造详见图1。

图1 基座底板及立板设计

5 网架的抗震设计

按规范要求，仅对于周边支承的中小跨度网架屋盖结构，可不进行水平抗震验算;对于抗震设防烈度为9度地区，各种网架结构均须进行水平与竖向抗震验算。

两向正交正放网架上、下弦的方形网格，属于几何可变体系，在周边网格内增加水平支撑，可以保证其整体的几何不变性，有效承受荷载内力，如图2所示。

图2 正交正放类网架水平支撑设置

在地震作用下网架结构周边杆件内力性质常常会发生改变，因此在周边2～3网格区格内杆件的允许长细比均应按压杆考虑，不应大于180。

6 结语

在网架结构的设计中，计算机大大提高了设计速度。但是，一个优秀的网架设计不单单是高速度设计，网架结构概念设计的正确运用，及考虑施工工艺因素等的合理储备，同样是不可忽视的。

［1］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［2］JGJ 7-91，网架结构设计与施工规程［S］.

［3］丁芸孙.目前网(壳)架工程中一些技术问题探讨［J］.建筑结构，2001，31(6):64-68.