试论钢网架结构设计方法及其优化措施

2017-03-27 20:37赛福鼎·乃吉木
科技创新与应用 2017年4期
关键词:节点优化

赛福鼎·乃吉木

摘 要:建筑业不断发展,使各项技术得到推广与应用,钢网架结构覆盖跨度较大、受力合理,更加符合人们对建筑结构设计水平高层次的需求,建筑稳定性强的同时,外形也变得更加美观实用,良好的技术能够从全方面提升建筑品质,使建筑物综合性价比更高。钢网架结构的推广与应用,能够从技术层面给设计师提供丰富的创作自由,而且其整体较小构件还可进行工厂的提前预制,大大减少了工期,节省了预算投资,经济合理,受到施工单位欢迎,钢网架结构设计在我国当前建筑工程中有着非常广泛的应用。文章主要通过对钢网架结构设计方法的分析,进一步提出优化措施,以此促进我国建筑结构设计水平发展。

关键词:网架结构;节点;杆件;优化

1 钢网架结构的选型

钢网架结构较为复杂,需要进行科学的选型,才能确认整体结构。钢网架结构是空间铰接杆系结构,一定要全面考虑到整体结构在力学上的问题,确保结构更加稳定。按现行标准要求,网架结构设计要满足受力需要,对外部压力、受力方向要严格遵守设计要点,保证在受到任何外力作用下,网架结构均稳定平衡,不发生变形问题,实现结构整体的安全性。要想从根本上确保网架结构稳定,就需要按使用功能,对网架结构做好科学的选型,良好科学的选型结构直接关系到整体结构,所以要根据实际情况确定选型,保证安全稳定。选型时,一要全面考虑几何问题,因为结构几何不确定则会出现更多的可变量,影响到结构稳定。在实际施工过程中,网架结构样式非常多,要根据使用功能、所处区域特征做好选型,在具体选择时,要看建筑平面、尺寸、荷载、网架、安装及成本,做好全面选择,以经济性原则为出发点,从几个设计方案中择优选择一个设计思路。在选型时,要全方位考虑,一是看用钢量多少,用钢量是主要考虑的方向,要在经济性原则基础上,确保用量最少,材料最少,平面比较接近正方形时,斜放四角锥网架结构最经济合理,正放四角锥结构仅次于斜放四角锥结构;二是连接点差价,杆件与节点连接部位造价也要保证安全的前提下,成本最低;三是安装费用,各种材料运输和安装费用也关系到经济效益,所以要综合考虑各项经济指标。通过实践证明,选型最好的结构是三角锥和四角锥,按这种几何单元确定的网架结构非常稳定,是施工中经常用到的几何单元形式,能够保证各个结构上的稳固,具有不变性的明显特点。

2 钢网架结构设计方法

2.1 网架结构杆件设计

网架结构设计常用形式是钢网架,Q235和Q345钢材用量较大,相对其他钢材而言,力学性能较好,性差比较高,同时,在进行施工时,焊接性能也是最佳,稳定性强、安全性高,在施工中能够大面积使用与推广。钢网架结构杆件截面形式多种多样,空腹载面呈现力较好,圆钢管和方钢管均有良好的性能,在惯性矩方面表现较强,能够承受巨大的外力作用,而不出现变形。空腹截面焊接封闭后,内部稳定不易腐蚀,同时,在使用过程中,表面积水积灰现象也较少,施工中能够大面积使用。

2.2 网架结构节点构造设计

节点构造设计非常重要,直接关系到整体结构的稳定程度,是钢网架结构设计中最关键的部位,这主要是因为所有杆件均要通过节点,利用节点对各部位进行连接,结构中的节点受力最大,是传递荷载、承受作用力最大的关键部位,只有全面做好节点设计,才能确保结构整体上的稳定。节点设计非常重要,要全方位考虑应力和传力特性的问题,处理好受力承载点,要从结构造型上充分考量,做好受力点的计算与选择,使节点更加精准可靠,保证受力均匀稳定。在进行设计选择时,更要考虑到后期制作、安装、施工和造价等因素,只有全面考虑才能保证工程整体的施工方案更加科学合理。从实际操作上看,网架结构节点主要由内部节点和支座节点两大类构成,不论哪类设计,均要考虑到构造受力传力问题,确保可靠、简单、方便。

2.3 网架结构设计注意事项

我们进行钢网架结构设计过程中,要注意几个问题,特别是首先考虑好受力点是否合理,只有受力点合理科学,才能保证结构的稳定可靠,各细节需要做好精算,符合工程造型特点,保证结构美观实用。要进行设计时,根据建筑使用用途、功能等特征,结合实际造型方案,全面设计好各受力点,通过合理布置,保证结构稳固,确保方案可行;其次,要从安装角度进行考虑,设计美观不等于安装方便,所在设计时,还要考虑到工程进度,确保受力合理的基础上,考虑到安装操作流程,为结构稳定性提供保障;最后是经济性,造价是工程避不开的问题,结构设计也要考虑到工程造价的问题,保证稳定安全前提下,使工程投入最小化、最优化。

2.4 网架结构耐久性对策

钢网架结构使用材料为钢材,钢材易锈蚀,会大大降低杆件截面面积,影响网架结构稳定和安全。对环境潮湿的则会导致钢网架锈蚀速度加快,缩短钢网架结构使用寿命。主要方法如下,一是钢材炼制增加合金元素,改变金属结构组织提高抗锈蚀能力;二是钢材表面使用金属镀层;三是钢材表面涂非金属保护层,经济合理、效果良好。

3 网架结构的屋面排水

网架结构是一项较大的工程,整体建筑屋面面积较大,对这样的层面需要做好科学统筹,保证屋面排水流畅,那么在进行设计时,就需要全面考虑到使用的问题,不能出现积水影响工程质量问题,网架屋面排水方式多种多样。

3.1 网架变高度

要想保证结构排水流畅,则需要通过计算来实现,一般情况下,网架跨中高度需要不断增加,使上弦杆形成屋面排水坡度,下弦杆仍与地面平行,这种排水方式较为常用。跨中高度增加能使弦杆内力降低,但上弦杆和腹杆种类增多,虽然制作和安装困难,但这种做法能够提高网架整体的抗震性能,增强稳定性的同时,起到良好的排水效果。

3.2 整个网架起拱

这种方式排水效果较好,平方根是采用整个网架起拱的方式进行处理,使屋面排水更加流畅快速。主要方法是使网架上、下弦杆仍保持平行,只将整个网架在跨中进行有效抬高,使中间部分拱起,计算高度时,需要对起拱高度做好测算,一般需要根据屋面排水坡度确定,处理不好,起拱过高会对杆件内力产生巨大影响,如果过低,则起不到良好的排水效果,采用这种方法的优点是结构抗震性能好、整体稳定性强。

3.3 上弦节点上设小立柱

这种方法也較为普遍,主要是在网架上弦节点上做一个小立柱,这样就能形成排水坡,这种方法较为灵活,只要改变小立柱的高度和布置情况,就能够形成双坡、四坡或其他更复杂的多坡排水系统。如果网架跨度大,那么对小立柱高度的要求也越精细,如果处理不当,则小立柱抗震性能就会变差。

4 网架结构优化设计

钢网架结构优化设计包括网架类型优化、网架跨度优化及网架高度优化三种。不同网架类型对要件要求也不一样,同样下用钢量也不同。用钢量少的主要是正放四角锥网架、斜放四角锥网架、抽空四角锥网架和棋盘四角锥网架,这些结构最为常用。网架跨度影响网架厚度和网格尺寸,进行网架优化设计需要准则法、数学规划法和系统迭代优化设计方法等一系列方法,不同的方案使用不同的设计方法,但在全盘考虑到网架结构特征参数,同时根据构造经验对优化结果进行调整,使设计更近实际。

5 结束语

钢网架结构设计在我国建筑结构设计中应用比较广泛,是综合性较强的结构设计方式,进行设计时,综合考虑建筑使用用途、受力负荷及环境因素,制定最佳方案,才能促进我国建筑结构不断发展。

参考文献

[1]金志强,孟根宝力高,李艳楠.异形单层钢网架结构设计[J].钢结构,2012.

[2]蒋涛,付长春,张同波.大跨度复杂造型钢网架拔杆提升系统设计[J].施工技术,2010.

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