正放四角锥网架结构在大型钢结构场馆中的设计与施工要点

毛增明

中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350

传统的建筑结构形式，如钢筋混凝土框架结构，其结构跨度往往受到柱网间距的限制，同时，较大的混凝土结构自重也对下部结构及地基基础提出了较高的承载力要求，对工程的整体设计较为不利。与此同时，网架结构因其自重轻、设计灵活等优势，在大跨度空间结构形式选择中得到了设计者们的青睐[1-2]。

网架结构的应用日趋广泛，国内外学者对此也进行了较多的研究。计荣利等[3]依托某大跨度空间网架结构工程，对大跨度的空间网架结构在辅助支撑拆除时的杆件应力情况进行了研究，并分析了辅助支撑在拆除前与拆除后的安全性。傅水明[4]针对空间网架结构的缺陷，如易锈蚀、变形等，认为保持空间网架结构能长期可靠、安全的必要措施之一，是定期对网架结构进行相关的正常使用性鉴定。赵俊亮等[5]依托某大面积、大跨度的结构厂房施工实践，对其支撑体系设置、整体提升、负载转移、提升平台设计、吊点设置等一系列的施工难点进行了介绍，同时依靠有限元仿真的分析方法，达到了网架各吊点整体同步提升以及顺利卸载落位的预期目标。孙学根等[6]针对霍邱体育中心体育馆钢结构屋盖在卸载过程中的难点，提出了一种针对支撑卸载的较为实用的方法，且通过有限元法实时监测了卸载时的关键构件应力与结构位移，并进一步探讨了该大跨度屋面钢结构在卸载时的可行性以及安全性。

目前，行业中关于网架结构的研究较多，但是对大跨度的空间网架结构进行系统设计与施工分析的相关研究较少。因此，本文以某具体工程实例为基础，从变形性能、受力性能、控制组合工况以及经济性等出发，详细介绍了网架结构设计的关键内容。

1 网架结构的应用特点

网架结构一般为高次超静定结构，且三维受力，其是由若干杆件遵循一定的规则连接而成的网状空间杆系结构。在网架结构中，杆件于空间相互交会，既是受力杆件，又互为支撑，协同工作。网架结构占用的空间较小，而可利用的空间较大，各种管道线路等均可在网架上下弦之间布置，从而实现了以较小规格的杆件束来建造大跨度结构的目标。

当下，网架结构的发展速度很快，在国内外的应用范围日趋广泛，其原因有如下几点：

1）网架结构设计灵活，能以较少的用钢量形成较大的跨度，同时网架空间为三向受力，较为合理。

2）网架结构可由工厂预先制作加工，现场组拼后提升施工，装配化程度高，能缩短工期，具有较好的环保与经济效益。

3）对于各种跨度的公共建筑、厂房建筑等，网架结构均能适用，能满足设计师针对施工工艺或者是建筑功能的各种需求。

4）网架结构造型美观，在外形、建筑平面以及空间表观等方面，都能满足设计师的创作需求，设计自由度较大。

2 应用工程概况

某水上艺术中心项目包含艺术交流、接待、艺术创造、艺术展示等功能，坐落在安顺市开发区娄家湖旁，工程类别为公共建筑，基建面积23 616 m2，建筑面积5 469.2 m2，由7个馆构成，如图1所示。其中3个馆坐落于湖内，结构形式为钢结构，建筑防火等级为一级，建筑等级为一级，建筑层数2层（局部1层）。

图1 水上艺术中心整体效果图

在7个钢结构场馆中，为满足建筑使用空间的需要，1#—6#馆屋面网架的结构形式均为正放四角锥网架，7#馆为1层钢框架结构。1#—6#馆采用螺栓球节点连接，周边支承于钢柱顶端，下弦支撑；地震烈度为6度，设计基本加速度为0.05g，设计地震组别为第一组，场地土类别为Ⅱ类。

3 网架结构的设计要点

3.1 结构体系选择

本文以1#馆展厅的钢结构网架设计为例。该1#馆网架平面长度约为42.6 m，宽度约为29.4 m，长宽比小于1.5，该展厅屋面网架的设计立面如图2所示。

图2 1#馆展厅立面设计示意

根据行业标准JGJ 7—1991《网架结构设计与施工规程》的有关建议，网架形式可供选择的有正放抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、两向正交斜放网架、棋盘形四角锥网架、正放四角锥网架和两向正交正放网架。

综合对比分析各网架结构形式，正放四角锥网架造型简洁，用钢量最省，节点数量与杆件的数量均最少，同时，该结构形式也便于屋面的排水处理，也即天窗的设置。另外，从结构刚度、网架整体的受力性能来看，相比其他网架形式，正放四角锥网架的上述性能都更好，延性也较好，且受力均匀，因此，本工程拟采用正放四角锥网架结构形式。

3.2 设计参数确定

1）设计荷载。本工程网架结构的设计荷载均按GB 50009—2001《建筑结构荷载规定》以及JGJ 7—1991《网架结构设计与施工规程》的有关规定取值。在具体建模实施时，应当考虑恒荷载（包括上弦恒荷载与下弦恒荷载）、活荷载、温度荷载以及风荷载等相关荷载类型。

2）荷载组合。本网架结构在建模计算时，针对实际情况，荷载工况组合时主要考虑的因素有恒荷载、活荷载和风荷载。建模之后，应当分析比较各荷载工况组合下所产生内力和位移的大小，从中找出最不利工况组合，验算其安全性。

3）网架自重。在建模时，网架自重可以由计算机自动形成，对于螺栓球节点的形式，可按网架自重的20%来计算，而对于焊接空心球节点形式，其可按网架自重的30%来计算。

4）支座假定。在本工程支座节点实际设计时，由于设计采用的平板支座形式的角位移受到了约束，因此在设计时，可在支座底板上开设椭圆螺栓孔。故而，该网架在克服支座的摩擦力后，可以在水平方向上产生相应位移。对于本工程，支座的边界条件可近似假定为弹性支座。

3.3 材料选型规定

按设计文件要求，综合考虑现场实际情况，本工程的材料选型如下：

1）钢管所用材质为高频焊接钢管或无缝钢管，型号为Q235B钢材。

2）螺栓球节点采用的材质为GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》中的45号钢。

3）螺栓、螺钉所用材质为40Cr钢。

4）封板、锥头所用材质为Q235钢，钢管直径大于75 mm时须采用锥头。

5）焊接时，Q235钢材与Q235钢材之间所用材质为E43系列焊条，Q235钢材与Q345钢材之间所用材质为E50系列焊条。

3.4 计算结果分析

由前文可知，对于正放四角锥网架的设计形式，可适当考虑抽空形式，因此，本工程对比分析了正放抽空四角锥网架结构以及正放四角锥网架结构这2种模型（图3、图4）的受力性能，从而达到优化设计的目的。在实际建模过程中，于正放四角锥网架模型的基础上，在局部位置抽空网架中部规则的四角锥，即形成抽空四角锥网架。为更好地进行对比分析，其他计算参数在建模时均保持一致。

图3 正放四角锥网架

图4 正放抽空四角锥网架

应当注意的是，在对四角锥网架进行抽空试算时，应避免使形成的抽空四角锥网架成为几何可变体系，网架结构是高次超静定结构，几何可变形式在工程实际中是绝对不允许的。同时，在实际建模时，还分别采用了螺栓球节点和焊接空心球节点对以上2种网架的结构体系进行计算，即一共建立4种模型进行对比分析，分别是螺栓球节点的正放四角锥网架、焊接空心球节点的正放四角锥网架、螺栓球节点的正放抽空四角锥网架、焊接空心球节点的正放抽空四角锥网架。通过模拟计算结果，对比分析螺栓球节点和焊接空心球节点的网架受力性能与变形性能。

按照相关规范的规定，综合该工程的实际场地特征，本文考虑了恒荷载、活荷载和风荷载3种荷载形式的共16种组合工况。在组合工况中，在整体上，恒荷载与活荷载以均布方式加载，接着将荷载均匀分配至四角锥的4个节点上，最后将分配到四角锥各个节点的力叠加起来，即为最后的各节点荷载；在不同区域，风荷载则采取分别加正负荷载的方式，其加载形式与前相同。

本文应用MST2008分析程序，对4个网架模型分别进行满应力分析，从而得到各节点位移、各杆件内力以及杆件用钢量等计算结果。

对各模型的相应计算结果进行分析，可得出以下几个结论：1）对于网架的受力性能，节点形式对其的影响较小。2）在受力性能与刚度方面，正放四角锥网架比正放抽空四角锥网架更好。

3）对比正放四角锥网架和正放抽空四角锥网架，采用正放抽空四角锥网架之后，因部分四角锥被拿出，故网架的杆件质量有所减少，但本工程整体质量减少不多，因此经济方面的改善并不明显。

综上所述，抽空四角锥网架的计算方法较为复杂，设计过程中要通过不断地试算，避免使结构变成几何可变体系，不符合设计要求。

抽空四角锥网架的试算环节增加了设计工作量，对于结构设计效率的提高非常不利。同时，正放抽空四角锥网架存在较多缺陷，如刚度较小、结构杆件受力不均等，该结构形式的设计杆件也较为复杂，截面类型较多，这对后期制作与施工等非常不利。另外，在经济性方面，抽空四角锥网架相对四角锥网架并没有提高很大的幅度。因此，对于本工程大中跨度的网架来说，抽空四角锥网架是不宜采用的。

3.5 控制工况比较

本工程对上述4个模型在各种工况组合下的杆件最大内力和位移进行了相应比较，以考察杆件截面由哪种工况组合控制。比较时应全面、细致，综合考虑，从而找出结构工况的最不利组合。

经上述分析，本工程最终选择了螺栓球节点的正放四角锥网架，从而实现了经济性与技术性的双重效益。

4 关键施工要点

结构设计是结构选型、杆件设计和优化设计的重要环节，而结构施工则是实现结构设计构想和优雅外观的最重要的环节。网架结构在安装施工时，必须充分考虑网架结构吊装工况、强度、刚度和稳定性等，使之满足设计与规范的要求。

目前，根据结构特点和现场条件，大跨度网架结构的安装方法有高空散装法、分条或分块安装法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法、多机抬吊法、高空散装法和分段吊装法等。本工程结合实际情况和项目特点，采用了起步跨网架整体吊装后，再高空散装后续杆件的方法，既保证了施工质量，又提高了施工工效，节约了施工成本。

本工程采用正放四角锥网架结构，钢结构设计标准较高，具有建设周期短、任务量大、专业工程多等特点。因此，必须在公司的统一协调指挥下，集中优势力量，将先进的施工技术应用至现场，优质、高效、低成本地完成本工程。为此，本网架结构安装遵循以下原则和规定：

1）临时支撑的拆除实际是施工荷载转移的过程，在荷载转移的过程中，必须遵循“变形协调、卸载均衡”的原则。在卸载时如不符合要求，则有可能造成临时支撑的超载或失稳等，从而导致网架结构局部坍塌甚至整体受损。

2）根据“变形协调、卸载均衡”的原则，在临时支撑拆除时，为保证安全，应通过放置在支架上的可调节点支承装置，例如柱帽或千斤顶等设备，采用多次循环、微量下降的方式，以实现荷载的平衡转移，本工程网架卸载的顺序为：由中间向四周，以中心对称的方式进行。

3）在正放四角锥网架拼装完成后，应及时拆除支架（即临时支承点），从而使网架由临时支承状态平稳地过渡到设计永久支座的状态，此过程也即网架落位的过程。网架落位的过程实际是使屋盖网架缓慢协同作用，并达到空间受力效果的一个过程。在该过程中，网架结构会发生较大的内力重分布现象，并由临时支承状态逐步过渡到设计状态。由此可知，网架的落位工序非常重要，施工前应采取合理的落位顺序和相应的落位措施，从而确保网架落位过程的安全。

4）网架落位后，应当对整个网架的整体安装精度进行检测，包括各支座的位置尺寸、高程以及偏差，若有偏差应当及时调整，并将尚未固定的支座固定好，至此即完成了该工程正放四角锥网架的安装施工。

5 结语

本文结合实际工程案例，较为全面地介绍了正放四角锥网架结构形式的设计要点，针对项目采取的起步跨先整体吊装，再高空散拼后续杆件的施工工艺，明确了网架安装时的重要注意事项。未来，大空间结构形式的建筑将越来越多，而网架结构形式也将进一步得到发展。正放四角锥网架结构形式设计灵活、造型大方、经济合理，本文所介绍的设计与施工技术可为今后类似的大跨度结构形式的项目提供参考。