西安异形网架结构设计

文／田维洲 悉地国际设计顾问（深圳）有限公司上海杨浦分公司 上海 200438

引言：

空间网格结构是在20世纪中叶特别是近40 多年来蓬勃发展起来的新结构，它是由多根杆件按照某种有规律的几何图形通过节点连接起来的空间结构，与平面桁架、刚架不同之处在于连接构造是空间的，可以充分发挥空间三维传力的优越性，特别适用于覆盖大跨度建筑。空间网格结构通常可分为网架和网壳结构，其中又以网架结构应用最为广泛，其具有跨越尺寸大，抗震性能好，经济性优，施工方便等优点，本文从实际项目出发阐述了单层网架的设计流程和注意事项。

1、工程概况

本项目为西安市某大型主题乐园，设防烈度为8 度0.2g，Ⅲ类场地，设计地震分组为二组，本文介绍了其中一个场馆的网架设计，该网架投影面积约8006 m，主要跨度64m，网架上弦标高14.400，下弦周边支承，采用正放四角锥形式，网架厚度3.5m，主要网格尺寸3.96mx3.96m，节点为焊接球节点，支座为成品抗震球铰支座，下部支承结构为单方向混凝土悬臂柱，柱截面尺寸为1200mmx2000mm，周圈有混凝土梁拉结，钢材为Q355B，综合用钢量为68kg/m，三维模型如下图1所示：

图1 三维模型

2、网架结构基本参数

2.1 网格布置

根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）（以下简称《网格规程》）网架跨高比为1/10～1/18，初步确定网架厚度4m，考虑柱上支座比梁上支座受力直接，能避免混凝土梁下挠对网架产生附加应力，因此优先考虑柱上支座，结合本项目柱跨8.4mx8.4m，斜向柱距11.9m，根据《网格规程》相邻杆件夹角30°～45°要求，网格尺寸按柱距三等分即3.96m 考虑，在局部不规则处调整网格尺寸，但应注意与主要网格相差不大，保证在感观上网格尺度的连续性，且无杂乱之感，建模完成后初算仍有部分杆件夹角小于30°，且挠度尚有富余，因此将网架厚度减小到3.5m。

本项目由于建筑要求网架边缘采用垂直边，如按常规方式在网格边缘将弦杆延伸过来（图2）则边缘相邻斜腹杆夹角基本都小于30°，这里可以采用图3做法，这样杆件夹角均满足要求。

图2

图3

2.2 屋面找坡

对于网架屋面找坡不仅关系到建筑专业，也涉及结构计算，如果全部通过起小立柱的建筑找坡方式，屋脊处的小立柱高度近1.5m，除了需要关注立柱自身的稳定性，其对网架的影响也要注意，且抗震不利，因此尽量采用结构找坡，由于异形网架找坡线较多，全部采用结构找坡较为困难，通过结构找坡和立柱建筑找坡相结合的方式可以解决该问题，主要坡度结构解决，局部复杂部位起小立柱局部调整，这样屋脊线可以不在上弦节点处，找坡更为灵活。

3、荷载取值

3.1 恒载

该网架屋面为金属屋面，上弦恒载为金属屋面及相关系统重量(主要为金属板自重、岩棉自重、小立柱、檩条自重等)，综合考虑0.75KN/m，下弦无附加恒载，考虑节点自重按经验值放大1.3 倍。

3.2 活载

上弦不上人屋面活载0.5KN/m，雪荷载按100年重现期为0.3KN/m，虽然按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）（以下简称《荷载规范》）规定不上人活载不与雪荷载同时组合，但并不能包络取大，原因在于雪荷载要参与地震组合而屋面活载不参与；下弦考虑设备管线、灯具及检修荷载综合按0.5KN/m；由于该网架跨度较大，应考虑活荷载不利布置，故增加上弦半跨活载的工况。

3.3 风荷载

考虑到网架对风敏感，基本风压适当提高按0.40 KN/m考虑。

3.4 雪荷载

网架属于雪荷载敏感结构，按100年重现期基本雪压为0.30 KN/m。

3.5 地震作用

西安为8 度0.2g，场地类别II 类，地震分组第二组，考虑竖向地震。

3.6 温度作用

按《荷载规范》查到西安最低最高气温为-9℃、37℃，初始温度按15℃，温差考虑±25℃。

4、结构分析及节点设计

4.1 整体分析

本项目网架的下部支承结构为混凝土悬臂柱，周边没有楼板约束，这就导致水平地震作用下悬臂柱自身是有一定侧移的，同时又和网架变形相互影响，若采取以往的设计方法，混凝土部分和网架各自独立建模，不考虑两者的协同工作，会对网架的地震作用，特别是水平地震作用的计算产生显著影响，甚至得出错误结果。因此，考虑上下部结构的协同工作是该种结构地震作用计算的基本原则。本工程采用同济大学3D3S 软件进行整体建模计算，采取振型分解反应谱法计算水平和竖向地震作用，结构阻尼比按材料自动计算，计算后发现网架的阴角处有很大的应力集中，其支座压力达到了9000KN，且其附近的支座出现了较大的拉力，其原因在于网架平面形状不规则导致支座受力不均匀，部分支座的拉力作用到相近的受压支座上，从而使得该支座受到更大的压力；计算还发现网架阳角处支座也出现了超过1000KN 的拉力，如此大的拉力将造成网架支座设计困难，为此将部分拉力支座释放，则阴角处的压力减小到5000KN 左右，阳角按悬挑考虑，各支座反力均匀，受力更为合理。由于网架跨度较大温度效应明显，起初采用固定铰支座，施加温度作用后发现支座水平反力较大，对此将支座设为弹性支座给予合适的支座水平刚度，过小的刚度导致网架水平位移过大，过大的刚度则释放水平力的效果不明显，经多次试算后将支座刚度设为10KN/mm 较为合适。

网架杆件采用常规截面尺寸Φ60x3.5、Φ75.5x3.75、Φ88.5x4、Φ114x4、Φ140x4等，关键杆件应力比控制0.8，一般杆件0.85，球节点0.8，杆件净截面系数0.9，按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），一般杆件长细比按180，关键杆件取120，软件自动优选截面，挠度控制1/250，多次调整迭代计算后周期如表1，第一振型为竖向振动，第二三振型为平动。

表1

4.2 球节点设计

对于中大型网架，螺栓球节点一般难以满足，本项目全部采用焊接球节点，最小焊接球为WS1806，最大为WSR8035，材质为Q355B，节点设计完成后尚需要验算实际球节点重量占比是否满足当初假设的30%要求，若不满足需修改数值重新设计。

4.3 支座设计

图4 典型支座节点详图

本项目采用成品支座，将支座的水平竖向承载力、刚度、位移量提供给厂家，厂家按要求生产，前期可参考厂家的产品手册预估支座大小，支座设计应考虑支座水平位移量，本项目按设防震地震预留位移量，可简单按多遇地震位移的3 倍考虑，归并后的支座参数如表2：

表2

支座底板设计可参考柱脚的相关计算，底板厚度按照《钢结构连接节点手册》（第三版）公式：

圆管加十字节点板规范尚无计算公式，《空间结构》指出十字节点板一般不受强度控制，但十字节点板的自由边可能会在底板向上的反力作用下屈曲，可按书中的构造要求复核十字板的宽厚比：

出于对项目安全性的考虑，取典型支座2 进行应力计算，假定支座处于弹性状态，材料本构关系按线性考虑，不考虑塑性发展，计算得出剪应力较小，正应力起控制作用，采用材料力学公式：

图5 支座节点实体模型分析

由应力云图可知，应力较大一肢平均应力为163MPa，与材料力学公式计算结果基本相当，底部边缘最大应力为340MPa，但未超钢材屈服强度，且施加的节点力是各工况组设计值的包络结果，会比实际受力偏大，因此安全性是有保证的，对于其他几个支座采取类似方法复核，均得到相似的计算结果，由此可得出结论：受力较大的网架支座应重视计算复核，不能仅通过构造措施保证，在未进行实体有限元复核前采用材料力学公式计算应力是可行的。

成品支座部分，应对厂家的支座图纸和计算书进行审核，主要包括：支座顶部钢板尺寸是否满足十字板的安装要求，底部钢板面积是否满足混凝土柱局部承压要求，且需要厂家确认支座刚度及预留位移量满足设计要求，实际生产后的成品支座如图6、7所示：

图6 成品支座

图7 支座弹簧

结语：

（1）网架垂直边，改变边跨的杆件布置方式可以使杆件夹角满足规范要求；

（2）异形网架阴角处压力很大，角部存在拉力，可以释放部分拉力支座使得支座反力均匀；

（3）若网架在考虑地震或温度作用支座水平反力很大，可以选择合适刚度的弹性支座释放水平力，此时支座设计要考虑水平位移量；

（4）由于现在网架尺寸越来越大，复杂程度越来越高，若按以往的通过构造保证十字板强度稳定可能已不太适用，应进行应力复核，有条件的尚宜进行实体有限元分析，当然这都只是理论阶段，更为准确的结果还需要进行试验，但作为工程实际应用，按材料力学公式计算是切实可行的。