浅谈我国空间网架结构发展趋势

戴素娟 李文宇 李 锋 解淇鹏 王贝贝

（山东省土木工程防灾减灾重点实验室 山东 青岛 266590）

浅谈我国空间网架结构发展趋势

戴素娟 李文宇 李 锋 解淇鹏 王贝贝

（山东省土木工程防灾减灾重点实验室 山东 青岛 266590）

主要介绍了网架结构的形式与特点，着重阐述了网架结构的未来发展趋势，指明了空间网架结构的研究方向，对我国网架结构的研究设计人员、施工技术人员具有一定的指导作用。

网架结构；主要特点；发展趋势

网架结构又称平板型网架结构，是以多根杆件按照一定的规律组合而成的网格状高次超静定空间杆系结构。网架结构主要有平面桁架系网架、四角锥体系网架和三角锥网架三大类，又可分为13种具体的网架形式。网架结构的主要构件是杆件，但杆件节点同样十分重要，它起着连接汇交杆件，传递屋面荷载和吊车荷载的作用，一个节点上的杆件数，少则有6根，多的可达13根，节点的用钢量约占整个网架用钢量的1/5～1/4,因此，合理设计节点是网架设计中非常重要的环节，常用的节点主要有焊接空心球节点、螺栓球节点和焊接钢板节点。

1.网架结构的主要特点

网架结构具有如下特点：

（1） 可实现的跨度大。网架结构是三维受力的空间桁架结构，空间交汇的杆件互为支承，将受力杆件与支承系统有机的结合起来，比单向受力的平面桁架结构应用的跨度更大，跨度一般可达120m，甚至更大。

（2） 经济安全可靠。由于网架的整体空间作用，刚度大、稳定性好，对局部结构的制造缺陷不很敏感，具备各向受力性能，因而应力分布均匀，用料经济。网架结构属于高次超静定结构，结构安全储备很大。

（3） 抗震性能很好。由于网架结构的刚度和整体性较好，因而抗震性能好。这一点，已被国内外的工程实践所证实。

（4） 适应性强。网架结构能适应不同支承条件的各类建筑，在平面在形状上也能适应正方形、矩形、多边形、圆形、扇形、三角形以及由此组合而成的各种平面形状。另外，网架的网络形式也为屋面设计和内部装饰提供了方便。

（5） 制作、安装方便。网架结构的杆件和节点比较单一，便于制成标准杆件和单元，可在工厂中成批生产。而且杆件和节点的尺寸不大，储存、装卸、运输和拼装都比较方便。

2.网架结构研究发展趋势

网架结构之所以蓬勃发展是由于它具有外形美观、受力合理、制作简单的优点，同时受到了结构工程师和建筑师的青睐。多年来国内外学者对其进行了大量系统的研究，获得了一系列显著科研成果。相对其他种类的空间结构，网架结构的理论研究和工程应用都已经比较成熟，但随着应用范围的不断拓展，仍然存在一些重要问题需要研究。

2.1 网架结构的水平抗震性能研究

平面杆系屋盖结构体系上受到的水平地震作用主要由屋盖的支承系统承受，所以抗震设计主要针对竖向地震的计算。而网架结构多用于高大空旷房屋，支承系统要和网架共同承受水平地震作用，网架良好的空间刚度正好提供了这种可能，因此对网架结构体系在水平地震作用下的反应应该给予足够重视。

一般认为对网架结构的抗震设计主要应考虑竖向地震作用，这是针对网架结构本身而言的。对于整个结构体系来说，水平地震作用仍是不可忽视的。由于网架结构具有良好的空间刚度，与下部支承系统一起形成空间协同工作，从而保证了建筑物“大震不倒”，在网架结构抗震分析中，应考虑下部支承结构的影响。

2.2 网架结构的疲劳性能研究

网架结构就应用范围而言，不仅应用于体育馆等大型公共建筑，而且在工业建筑中得到了广泛的推广应用。工业厂房中的网架结构，由于生产的需要一般都设置悬挂起重机作为起重运输设备。悬挂起重机的设置可谓是一大创举，它不仅充分发挥了网架超静定结构对集中力扩散较快的优点，而且布置灵活，便于工业流程改造。与此同时，在悬挂起重机作用下网架结构的疲劳问题也被提上议程，而且引起工程界和学术界越来越广泛的关注。如何进行网架结构疲劳设计，JGJ—2010《空间网格结构技术规程》以及 GB50017—2003《钢结构设计规范》中尚无具体规定。对于直接承受中级或重级工作制悬挂起重机的网架结构，规定其疲劳强度及构造应由专门的试验确定，而且悬挂起重机的吨位限制在5t以内。这极大的限制了网架结构在悬挂起重机工业厂房的推广应用。因此，开展系统的理论与试验研究，建立网架结构疲劳设计方法意义重大。

2.3 网架结构的新体系

根据杆件布置方式的不同，网架结构有多中常用的类型。在工程实践和理论研究中，应提倡网架形式的创新，并对其几何拓扑关系和基本力学性能展开研究。使网架结构得以不断丰富和发展，并增强网架结构的生命力。

将预应力技术引入网架结构，为网架的发展提供了又一广阔空间。预应力网架结构是一种新型大跨结构，由于预应力的施加能够有效地减少结构的挠度，降低内力峰值和用钢量，已经日益广泛地应用于实际工程之中。网架的下弦平面内或下弦平面下布置预应力索，以及调整网架支座高度均能起到施加预应力的效果。结合网架的支承结构，在网架上弦节点处设置斜拉索，也可以改善网架的受力。此类预应力网架结构的静力、动力力学性能、不同预应力度对网架的卸荷效果、极限承载力和破坏形态的影响等问题值得进一步研究。

近年来，随着冶金技术的不断提高，科学研究工作的不断深入，铝结构在全世界范围内被大量应用，欧美各发达国家更是在大量应用铝结构，如铝结构桥、铝穹顶结构、铝网架结构等。铝是人类认识和利用比较早的元素之一，因为它的强度和硬度都较低，纯铝构件是十分不理想的。但是铝可通过冷加工强化，把强度提高一倍以上，也可通过添加镁、锰、硅、铜、锌、锂等合金元素，再经热处理进一步强化，所形成的铝合金既有优良的物理力学性能又具有重量轻的特有优点，因而是一种很理想的建筑材料。铝网架结构的工程应用和理论研究具有很大的发展空间。

2.4 网架结构的塑形设计

目前对网架结构静动力受力分析，仅限于弹性分析范围内。在一些荷载确定、跨度不大的网架中，可以尝试考虑塑形设计，应允许在一定条件下，网架杆件部分进入塑性。网架结构抗震分析，尤其是罕遇地震作用下，应该进行网架结构的弹塑性动力分析。目前这一领域的研究工作开展的还不够，这也是今后网架结构理论研究的需要关注的一个重要内容。

2.5 网架结构的新型节点

随着网架结构形式的不断创新、杆件截面形式的变化，网架结构节点形式也需要不断创新。需要开发一些新型装配式、易于加工和装配，并且成本低的节点形式。另外，对现有一些常用节点形式也需要进一步改进，以拓展其应用范围。工程实践中，焊接空心球网架正趋向于大跨度、大节点的发展方向，直径大于500mm的空心球在工程上的需求量越来越多。大型焊接空心球由于其直径、厚度大，在钢板加热、压制、焊接等加工过程中不同于一般的焊接空心球，其受力性能也和一般焊接球有所区别。

由于螺栓球节点网架结构具有工厂化生产、质量易保证，以及安装和施工周期短等优点，该节点形式应用越来越广泛。高强螺栓是这类网架的关键部件，决定着结构的安全和应用范围。德国Mero公司已有M120大直径超高强螺栓，可承受2000～3000kN的设计拉力，并已在希腊雅典的体育馆工程中应用。而国内40Cr的最大直径为M64，也仅能承受800～900kN的设计拉力。从一些实际工程中，也提出了大直径超高强螺栓及配套钢球的研制问题。只有这样，螺栓 球节点网架的应用范围才会进一步扩大，使得螺栓球节点网架的优点更为突出。

结论

空间网架结构今后发展的一个重要趋势就是网架与预应力结合的大跨度空间网架结构, 大跨空间网架结构也是衡量我国建筑科技水平的重要标志之一, 我国当前针对于大跨度空间网架结构所涉及需要的新体系、新技术、新材料还存在很大欠缺, 有待进一步研究和完善, 以更充分的体现大跨度空间网架结构的先进性、经济性与合理性 ,最终促使我国空间网架结构蓬勃地发展, 更好的为我国经济建筑服务。

[1]张文福.空间结构[M].科学出版社. 2005.8

[2]刘锡良.我国网架结构的发展[C].第六届全国现代结构工程学术研讨会论文集.2006.7

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1007-6344（2016）07-0263-01