大跨屋面钢网架结构优化设计

龚　兵

(福建省建筑设计研究院　福建福州　350001)



大跨屋面钢网架结构优化设计

龚兵

(福建省建筑设计研究院福建福州350001)

钢网架结构作为屋面支承系统，在大跨度空间结构中得到了较为广泛的应用。文中以某田径馆的屋面网架为例，探讨了大跨屋面钢网架结构的优化设计。对不同网架类型、不同支座约束条件、不同网架高度等进行了对比计算，通过综合比较用钢量、挠度、构件规格等，进行了网架的结构优化设计，使之趋于合理，经济实用；最后简要叙述了屋面檩条、马道等的设计。

大跨度屋面；网架；优化设计；支座节点

0　引言

体育场馆、展览馆、大型影剧院等公共建筑，因其使用功能要求，常为大跨度大空间建筑形式，其屋盖体系常采用轻型钢结构屋面系统，其中网架是一种比较常用的结构体系。如何选用合理、经济的网架形式，如何设置支承条件，以及荷载等等的确定，都需要设计人员深入研究对比。本文以某体育场馆的屋面网架为例，通过对不同网架类型、不同支座约束条件、不同网架高度等的对比计算，探讨了大跨屋面钢网架结构的优化设计；最后简要叙述了屋面檩条、马道等的设计。

1　工程概况

1.1主体结构简介

本项目为某少年儿童业余体校，含7个子项，总建筑面积约8万多平方米。本文主要介绍其中的田径馆屋面网架设计。

田径馆长145.6m，宽67.2m，纵向柱距为11.2m，横向柱距为14.0m及12.6m，建筑檐口高度21.4m，建筑面积10 488m2。

本工程结构设计使用年限为50年，抗震设防类别根据《建筑工程抗震设防分类标准》[1]定为重点设防类，场地抗震设防烈度为6度，设计基本加速度为0.05g，地震分组为第二组，场地土类别为三类。根据《建筑抗震设计规范》[2]，本工程框架结构抗震等级为三级，部分大跨度框架抗震等级为二级。

本工程主体为钢筋混凝土框架结构体系，轴1～7部分为多层钢筋混凝土框架结构，其屋面为钢筋混凝土梁板体系；轴7～16部分为单层大跨空间结构，屋面采用轻型钢结构屋面系统，即钢网架加彩色压型钢板屋面。各部分屋面标高如图1所示。

1.2网架支承结构和荷载

田径馆大屋面平面尺寸为 100.8m×67.2m，网架覆盖面积为6 774m2。网架纵向支座拟设在柱顶，横向因柱距不均等，网架支座设在框架梁上。因此网架支承条件为周边多点支承，网架的支承跨度为 67.2m，网架支承平面结构布置图如图2所示。

各网架支承柱悬臂高度如下：轴A、G交轴8～15处柱悬臂高度为19.70m，轴7交轴B、F处柱悬臂高度为4.96m，轴7交轴C、E处柱悬臂高度为16.264m，轴16交轴B、F处柱悬臂高度为20.26m，轴16交轴C、E处柱悬臂高度为20.764m。

网架荷载如下：

(1)恒荷载：上弦(考虑檩条、屋面板等)为0.5kN/m2；下弦局部马道(加灯具音响电缆等)2.5kN/m2，将0.5 kN/m2的马道活荷载折算为恒荷载，并将1.2m宽的马道荷载均摊到5.6m的网格宽度，布置在马道所在网格上；

(2)活荷载：上弦(不上人屋面)为0.5kN/m2，下弦(吊挂荷载)为0.3kN/m2；

(3)风荷载：基本风压为0.7 kN/m2，高度系数为1.23，体型系数为-0.6，风荷载作用于上弦节点。

(4)温度作用：考虑正负25°的温度变化作用。

2　网架结构选型

本工程网架采用MSTCAD软件计算，拉杆容许长细比为250，压杆容许长细比为180，采用满应力法，控制杆件最大应力比为0.85。

本工程屋面网架是平面形状为矩形的周边多点支承网架，根据《空间网格结构技术规程》[3]，宜选用的网架类型为：正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架，两向正交正放网架。

经与甲方及建筑专业商量，本工程采用四角锥形式网架。为了决定是否采用抽空网架，进行了上弦周边支承的正放四角锥网架和正放抽空四角锥网架的对比计算，网架平面尺寸为100.8m×67.2m，上弦网格数为19×13，网架高度设为4.5m，主要计算结果见表1。

采用正放抽空四角锥网架，网架总用钢量略少于正放四角锥网架(约为1.7%)，但其节点用钢量远较后者为大(约为19.4%)；且因本网架跨度较大，杆件规格本身就比较大，如果采用抽空形式，杆件及节点球的规格均增大较多，不利于安装。同时，考虑到纵向柱距均为11.2m，如果将网架支座设在柱顶，可以减小柱顶拉梁的截面尺寸。这样比较适宜的网格尺寸为5.6m，如此上弦纵横网格数均为偶数，不便于抽空。此外，本工程尚需设置马道，以下弦球节点作为支点比较适宜，若下弦抽空，则需吊挂到上弦球节点，将增加马道的总用钢量。

综上缘由，本工程采用上弦多点支承正放四角锥网架，网格尺寸为5 600×5 600。

表1　两种形式网架对比计算主要结果

根据《空间网格结构技术规程》[3]，网架高度一般可取跨度的1/18～1/10，本网架跨度67.2m，网格尺寸5.6mx5.6m，网架高度可取3.8m～5.6m。根据建筑造型，屋面为沿短跨方向双向找坡，屋脊到檐口处高差为1.344m。为了增加网架的有效高度，节省造价，直接将网架上弦层沿屋面坡度设置，设计成变高度网架，即沿跨度方向跨中高度比支座处高1.344m。

网架平面布置图及剖面图如图2所示。网架檐口处高度暂按4 000考虑。

3　支座节点设计

3.1支座约束及反力

本工程网架支座采用上弦周边节点隔一支一，轴A、G处网架支座均支承在框架柱顶，轴7、16处网架中间支座均支承在框架梁面。

四个角点处的框架柱，因都有双向框架梁连接，此处的网架支座可认为是三向铰支，其余各支座均为悬臂柱支承，各悬臂柱高度详1.2节所述，其中轴7交轴B、F处柱悬臂高度仅4.96m，与其它柱相差悬殊，必将造成此处网架支座水平推力远大于其它支座，对下部梁柱的设计极为不利。四个角点处因是铰支，水平推力将更大，虽然对于柱来说两向均有框架梁联系，可不考虑其影响，但对网架支座的设计也将造成很大困难。

如果在网架支座处增加橡胶垫板如下：边长为360mm，上下表层橡胶各厚2.5mm，中间层厚8mm×6，夹层钢板厚3mm×7；根据规范计算可得橡胶垫板的水平刚度2.93kN/mm，竖向刚度1882kN/mm。

网架计算时支座设为铰接弹性约束，在框架平面内，支座等效水平弹性刚度基本等于橡胶垫板水平弹性刚度；在框架平面外，支座等效水平弹性刚度等于悬臂支承柱水平弹性刚度与橡胶垫板水平弹性刚度的串联组合。以此组合刚度代入计算，可得各支座的最大反力，如图4所示。网架支座反力应代入主体结构进行计算，同时应取单榀框架进行复核计算，以保证网架支承柱的承载能力。

表2给出了两种约束条件下网架总用钢量、挠度及支座最大水平推力的比较结果。

表2　两种约束条件下网架对比计算结果

增加橡胶垫板后，网架支座的水平推力大幅减小，而且较为均匀，对支承梁柱的受力及网架支座节点的设计都十分有利。

网架在支座处X、Y向水平位移经查为36mm、26mm，而支撑网架的框架最大节点水平位移仅为3mm，因此，上述计算模型，即采取柱与橡胶垫板水平弹性刚度的串联组合代入，代替主体框架结构与屋面网架的上、下整体分析，从工程设计的层面看，所带来的误差是可以忽略不计的。

3.2支座节点大样

网架支座节点大样如图5所示，图中未注明的构件连接均为角焊缝连接。

支座所用橡胶垫板要求采用定型抗震垫产品，材料性能应满足《空间网格结构技术规程》[3]附录K的要求。其力学参数应满足上节所述要求。在橡胶垫板四周涂以防止老化的酚醛树脂并粘结泡沫塑料，或采取可达到相同防老化效果的其它措施。

设置橡胶垫板后网架支座最大水平推力为50kN。在支座底板和过渡板周边均焊了12×20的钢条作为橡胶垫板的抗滑限位装置，如图5所示，使支座能承受一定的水平推力不产生水平滑移。

4　网架高度优化

为了得到最优的网架高度，对檐口处网架高度从3.8m到5.0m取不同数值做了对比计算，比较了杆件用钢量、总用钢量、网架挠度等，主要计算结果详见表3。

表3　不同网架高度对比计算主要结果

本工程网架的许可挠度按1/250为268.8mm，上述几种高度均已满足网架变形要求；网架檐口处高度为4 400时，网架用钢量最少；檐口处的高度在4 000～4 800范围内，网架用钢量差别不大。为了尽量满足建筑内部使用净高的要求，最后网架檐口处高度定为4 000。

通过满应力分析可得，本网架最大杆件规格为Ф299×16，最大节点球为Ф550×22。

5　屋面檩条及马道布置

5.1屋面系统

屋面檩条布置图详见图6。

图中粗实线所示沿屋面坡度方向为主檩条，采用高频焊接 H型钢 H200×100×6×8；粗虚线所示为次檩条，采用C型薄壁型钢檩条C200×70×20×2.5。

屋面纵向标准节点大样如图7所示。

5.2马道设计

马道平面布置如图8所示。马道主梁支承于下弦球节点的顶托板上，具体设计及主要构件规格详图9。

图中马道栏杆扶手立杆间设置Ф14@140钢筋，马道踏面为Ф18@70钢筋。马道构件除注明采用螺栓连接外，其余均采用焊接连接。球径不同时，应调节支托高度，将马道横断面调平。

檩条、马道的等钢结构设计均符合《钢结构设计规范》[4]的要求。

6　结语

钢网架结构作为一种可靠而经济适用的屋面支承体系，在大跨度空间结构中已得到广泛应用。通过本工程网架的优化设计可以看出：

(1)正放四角锥网架是否抽空，须视具体条件而定。对于本工程情况，因网架跨度较大，构件规格本身就比较大，如果采用抽空形式，杆件及节点球的规格均增大较多，不利于安装；此外还要考虑网格数及需在下弦节点处吊挂的情况，因此决定不抽空。

(2)网架支座节点增加橡胶垫板后，水平推力大幅减小，而且较为均匀，有利于梁柱的受力及网架支座节点的设计。

(3)网架高度对用钢量、挠度等均有影响，应通过对比计算，确定经济适用的网架高度。本工程为变高度网架，经优化计算，确定檐口处高度为4 000mm，约合跨度的1/17。

[1]GB 50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[3]JGJ 7-2010 空间网格结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[4]GB 20017-2003 钢结构设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.

龚兵(1967.07-)，女，硕士，高级工程师,主要从事结构设计方面的工作。

The design and optimization of steel space truss structure applied to large-span roof

GONGBing

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute, Fuzhou, 350001)

The steel space truss structures as the roof support system are applied widely to large-span spatial structures. The design and optimization of steel space truss structure applied to large-span roof are discussed in this paper by the space truss design of the roof of a track and field gymnasium. Several contrast calculations are proceeded including different space truss types, different supporting conditions, and different space truss heights. The optimize designs which be reasonable and economic are realized by comprehensively comparing the amount of steel, deflection, and component size. The design results of roof purlines and repair paths are given briefly last.

Large-span roof; Space truss; Optimize design; Supporting joint

龚兵(1967.7-)，女，高级工程师。

E-mail:623427964@qq.com

2016-02-28

TU391

A

1004-6135(2016)03-0064-05