组合网架在结构设计中的特点及应用

姜铁栓　霍亮

【摘 要】组合网架是一种由钢网架和混凝土肋板组成的空间结构体系，这种结构体系既能发挥两种不同材料的强度优势，又能使结构的承重和围护功能合二为一，是近年来很有发展前景的一种结构形式。

【关键词】组合网架；结构设计特点；应用

引言

空间结构一直是备受瞩目的结构形式，它的主要特点就是能够充分利用不同材料的特性，来适应各种建筑功能及造型需要，它具有重量轻、受力合理、抗震性能突出、造价低、形式活泼新颖等优点。基于这些优点，该结构在国内外得到了广泛的应用，尤其是大跨度空间结构在现今已经成为代表一个国家建筑技术水平的重要标志之一。

当前我国空间结构中以网架结构发展最快，应用最为广泛。我国近年来在体育馆、练习房、俱乐部、展览馆、影剧院、商场、会场、食堂、候车室以及工业厂房、大型机库、采光天井等建筑中都可以采用。网架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结构，它的特点是空间刚度大、整体性好、又有良好的抗震性能、能适应各种不同的建筑物造型要求；同时，还具有节省钢材，重量轻，制造和安装方便等优点。

一、组合网架的特点

组合网架是从一般网架结构演变而来的，组合网架是将网架上弦杆改用钢筋混凝土平板或者带肋板来代替，下弦杆和腹杆则仍然采用钢材，以充分发挥钢材受拉和混凝土受压的有利条件，使两种不同材料充分发挥各自的强度优势；又使结构的承重和围护功能合二为一，既可应用于屋盖，也可应用于楼盖，故组合网架是今后值得广泛发展和大范围推广应用的新型结构体系。

在形式众多的空间结构中，网架结构是当前发展最快的结构形式，其中在国内外应用最为广泛的就属组合网架，这主要是由于它具有下列一系列的优点：

（一）结构布置灵活多样但又有高度的规律性，便于采用，可以满足各种建筑平面的要求。

（二）节点连接简便可靠，便于推广。网架节点及其部件的规格种类少，便于进行大批量生产，近年来己经逐渐的做到定型化、工厂化和商品化，不仅保证了其受力性能合理，质量可靠而且简化了节点连接的制作与安装。

（三）结构的分析、设计计算已经成熟，而且可以采用计算机辅助设计，大大提高了效率。

（四）各构件的加工制作机械化程度高，并且已经全部实现工厂化，这样既能保证结构质量同时也缩短了制作时间，提高效率，凸显优越性。

（五）经济性很高，能用较少的材料跨越较大的跨度，组合网架可以充分利用混凝土受压、钢材受拉这两种材料的强度优势，受力性能好，节省材料。

（六）满足建筑工业化和商业化的需要。

与普通钢网架相比，组合网架也有其缺点，主要有以下几个方面：

一是组合网架用作屋盖时，由于屋面用的是混凝土材料，属于重屋盖体系，因此其自重比较大，不宜用于大跨度结构（>60m）；二是随着跨度增大，钢筋棍凝土板的受力也增大，这样，给钢筋混凝土板腹杆、下弦杆的设计等也都带来了较大的困难；另外其节点处的用钢量也比较大，加工制作的费用较一般的平面网架也高。

二、目前组合网架在国内外的应用

在80年代初期，德国的Zublin公司推出一种四角锥体系的组合网架，它的上弦节点是一块方形钢板，板的中部呈球缺状，以便连接任意方向的钢管腹杆；在钢板的四角设有螺栓孔，孔上部呈倒锥形，孔下部有内螺纹。Zublin公司推出的这种组合网架体系曾在食堂等屋盖结构中得到广泛应用。罗马尼亚在1981年设计了一幢四角锥组合网架结构的多功能体育馆，该结构为斜放的四角锥组合网架结构，经过试验研究和详细的分析，发现该结构与传统的钢网架相比，用钢量节省了大约22%，同时造价降低了1%-2%，当时便认为这种组合网架可用于屋盖，同时可以将结构的跨度扩大到45m-50m。

我国1987年建成的新乡百货大楼加层扩建工程，平面尺寸34m×34m，采用斜放四角锥组合网架，这是我国首次在多层大跨建筑中采用组合网架楼层及屋盖结构，也是我国多层建筑中最大的组合网架楼层及屋盖结构。我国首次用于高层建筑楼层及屋盖结构的组合网架是长沙纺织大厦，采用正放抽空四角锥组合网架，平面尺寸24m×27m，柱网分别取12m×10m，12m×7m两种，总建筑面积约700m2，是目前覆盖建筑面积最大的群体组合网架。跨度为20m左右的组合网架楼层和屋盖结构，可在一般的公共和工业建筑中采用，例如，长沙歌舞剧院排练场平面尺寸为18m×21m，采用的便是正放四角锥组合网架楼层。我国在1993年建成的上海国际购物中心7、8楼层，平面尺寸为27m×27m，采用的是预应力正放四角锥组合网架，截去一个长12m的等腰三角形，选用预应力后节省钢材32%。2009年济南市体校新校区2号馆楼盖，是目前国内第一个楼板全现浇的预应力组合网架，平面尺寸为30m×40m，网架厚度为1.65m，采用下弦杆内布索的方式。

三、目前组合网架在结构设计中的可靠性理论

结构可靠性设计理论和方法的发展经历得了几个阶段，包括几何学设计法、荷载系数设计法、容许应力设计法、破损阶段设计法和极限状态设计法。

在将数学和科学应用于建筑以前，设计的准则主要是依据传统经验。许多准则通常是根据几何原理给出建筑安全的限制，这便是结构最初的设计理论一几何学设计法。这些准则通常是建立于不断的尝试与失败的基础上，基本属于是经验的判断，例如梁柱尺寸也是根据经验按照建筑物的比例而定。

随着线弹性理论的发展，出现了容许应力法，在结构工程发展初期，采用容许应力的设计法还是比较合理的，但是由于工业的发展，结构工程中大量的采用了钢材和混凝土，这些材料都有不同程度的塑性，因此在采用容许应力设计法时就会出现不合理的结果。这种设计方法和结构实际性能相差很大，不能正确地揭示结构工作的内在规律，现在绝大多数国家已不再使用。

随着设计理论的发展，出现了按破坏阶段的状态进行设计的方法，即荷载系数法也称破损阶段法，这种方法考虑了材料的塑性，其设计原则是：结构构件达到破损阶段时的计算承载能力R应不低于标准荷载引起的构件内力S乘以安全系数K，即：KS簇R其中这个阶段安全系数通常是由经验判断的。从设计角度来说，破损阶段法考虑了材料的塑性和极限强度，从而确定结构的最终承载力，但在可靠性方面，还是由安全系数来保证，这与容许应力法相同，也存在类似的缺点。后来随着对荷载和材料变异性能的研究，认识到结构在使用期限内作用力以及结构的极限承载能力非定值，进而出现了极限状态设计方法。极限状态设计方法与破坏阶段设计方法的主要区别是规定了结构的极限状态，并用分项系数的形式代替了承载力总安全系数。

参考文献：

[1]沈祖炎.陈扬骥.网架与壳壳[M].同济大学出版社，1997，5

[2]沈士钊.大跨空间结构的发展-回顾与展望[J].土木工程学报，1998，vol.31，No.3