大跨度钢网架屋盖在引水工程净水车间中的应用

刘睿

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

1 建筑特点

净水车间是引水工程中的主要建筑，车间内包括滤池、沉淀池、配电室及泵房等多种构筑物。长海县跨海引水工程净水车间占地面积2833.87 m，地下部分建筑面积100 m2，总建筑面积4510.24 m2，其中地上2层，建筑高度11.350 m。主体采用现浇钢筋混凝土框排架结构形式。其总平面长74.20 m，宽36.40 m，其内部空旷布置，中间无任何竖向支撑，这么大跨度屋盖结构适合选择钢网架屋盖体系。

2 网架结构的特点

网架体系由多根杆件有规律性组成的高次静定空间结构，由于杆件之间的相互支撑作用明显，使其刚度大、整体性好，能承受由于地基不均匀沉降给屋面结构带来的不利影响；甚至在某根杆件破坏的情况下，也能在内力重分布后保持结构的安全稳定。与常用的钢筋混凝土屋面相比，网架结构屋面自重轻，故能有效降低水平和竖向地震作用。制作材料多采用标准的Q235B钢或20 Mn钢管，适宜规模化生产，从而可以加快工程进度、保证工程质量，经济优势明显。

3 网架设计分析实例

3.1 网架设计原则

网架结构的外荷载按静力等效的原则，将节点所辖区域内的荷载集中在节点上。结构分析时忽略节点刚度的影响，假定节点为铰接，杆件只承受轴向力。具体设计网架时采用空间桁架位移法，即网架节点3个线位移为未知量，所有杆件为承受轴向力的铰接杆系有限元法，并利用计算机进行内力和位移分析。

3.2 有限元法分析

此工程网架计算采用空间网架设计软件，采用杆系有限元法计算节点位移和杆件内力，进行满应力分析优化设计，并符合 JGJ7-91《网架结构设计与施工规程》中的规定。整体分析也可采用同济大学的3D3510.1版有限元分析软件；网架施工图设计可采用浙江大学的MST2011版空间结构分析软件。

1）该网架的平面尺寸为73.8 m×36.0 m，网架投影面积2656.8 m2，网格尺寸分别为 3.0 m×3.0 m，2.6 m×3.0 m等2种。为正放四角锥螺栓球节点网架，网架厚度为2.7 m，起拱高度2.9 m。

2）网架荷载标准值。屋面采用压型钢板复合保温屋面，网架自重由程序自动计算。上弦层：恒载1.20 kN/m2，活载 0.70 kN/m2；下弦层：恒载 0.10 kN/m2；基本风压 0.65 kN/m2，地面粗糙度 B 类；基本雪压0.40 kN/m2。抗震设防烈度7°，设计基本地震加速度值为0.10 g，抗震设计分组为第一组。

3）荷载组合。①恒载+活载（满跨）；②恒载+活载+正温；③恒载+活载+负温；④恒载+活载（半跨悬挂荷载）+正温；⑤恒载+活载（半跨悬挂荷载+负温；⑥网架自重+半跨屋面板自重+施工荷载。温度的作用按+30℃及-30℃来考虑。

3.3 网架设计控制及计算简要结果

杆件控制应力为190 N/mm2；杆件控制长细比为压杆 180，拉杆 180；网架最大支座反力为368 kN；杆件最大设计应力为184 N/mm2；网架最大挠度设计值为-92 mm（标记“X”）。

4 网架支座布置

网架的支座形式直接决定网架的边缘约束条件，即自由、弹性、固定3种约束条件。支座的选取直接影响到网架的安全、经济，在内力分析中，网架产生的水平推力更与支座形式密切相关，也直接关系到整体内力分析的基本假设。如铰接支撑按排架计算，下部柱子的受力就会偏大，水平位移大。刚性支座应按刚架模型计算。所以应根据工程具体实际情况，合理确定网架的支承刚度和节点的构造，从而保证模型的计算准确。

净水车间由于跨度大，网架体量大，其水平推力较大，不能忽略。解决水平推力的主要力学方法有2种：1）通过加大构件的抗力（截面尺寸）来实现；2）采用释放位移的方式来抵消水平推力。而这2种方案，对建筑的造价影响很大，需要进行综合比选，选择最优方案。几种支撑方案中框架柱的材料用量及经济技术指标的对比见表1。

表1 各种结构方案支撑框架柱直接费用对比

由表1可知，选择不同的结构方案对建筑物造价的影响是很大的。因此，在选择结构方案时，择优。

5 网架和下部结构分开计算需注意的问题

由于规范JGJ 7—91中，没有规定必须把网架和下部结构连成整体分析计算，多数计算程序是把网架和下部结构分别计算在组合中，计算时需要注意以下几个问题：

1）支座反力通常是用上部网架程序根据经验荷载计算得到的，直接加到柱顶。没有考虑施工时荷载变化，以及屋面形式和屋面材料的变更，造成柱顶反力控制不住，或材料用量过大不经济。

2）上部网架计算时，需考虑合理的假设边界条件。由于净水车间的跨度较大，支承刚度无穷大的假设并不适合该工程。在大跨度网架支座水平反力作用下，支承结构产生的水平位移会使内力重新分布，导致网架各杆件计算内力也与实际情况相差较大。设计人员可以通过合理的支座构造，满足软件的假设设计条件整体计算，这样得出的计算结果会和实际情况接近，而不是一刀切式地全部按三向不动支座计算。

3）加强基础刚度和整体性。为了保证上部大跨度网架的竖向约束和减小变形，独立基础需满足GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》5.3.4条沉降差的要求，有条件时最好调高标准。独立基础间应设置基础拉梁增加整体性。由于建筑较长，地质条件可能有所不同，尽量保证地基层为同一土层，且基底应力不宜差别过大。

6 网架安装方法及适用范围

网架安装大致可分为整体吊装法、整体提升法、高空滑移法、高空散装法、分块安装法等几种。分别适用于各类型网架、周边支承及多点支承网架、两向正交正放网架、于螺栓连接节点的各种网架、可分割的网架。设计人员需与网架安装厂家密切配合，跟踪施工，及时调整施工荷载。

[1]JGJ7—91，网架结构设计与施工规程[S].

[2]JGJ78-91，网架结构工程质量检验评定标准[S].

[3]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].