大跨度网架结构设计

张英会

（河北寰球工程有限公司，河北涿州072750）

1 引言

在空间结构类型中，网架结构的使用比较广泛，在一些大、中以及小跨度建筑中都比较适用。网架结构主要包括单层、双层以及多层等类型。其中，双层结构比较常用。如果跨度较大（大于或等于100m 时），可以使用3 层网架。网架结构与其他的一些空间结构相比较具备独特的优势，因此，其使用范围非常广泛。

2 网架结构的选择

网架结构属于空间铰接的杆结构，不允许出现几何形变。因此，对网架结构进行选择时，要考虑结构的几何可变性。三角和四角锥是网架结构中常用的几何不变单元。当前，国内外很多网架结构都使用了三角形金字塔单元和四边形金字塔单元。

网架的类型较多，在使用过程中要和具体项目相结合，然后合理选择结构类型。在选择网架类型的过程中，需要综合考虑建筑物的平面尺寸、荷载、形状、支撑方法、屋顶结构，遵循经济实用原则等。在正常情况下，应多选择几种结构形式进行方案设计，然后进行方案比选，最终确定最佳方案。在优化设计的过程中，不仅需要考虑钢材的使用量，还要考虑综合性经济指标，比如，杆以及接头之间存在的成本差异，屋面材料以及围护结构的安装成本等。从材料消耗的角度来讲，如果平面接近正方形时，可以仅在对角放置四角锥网架，以节省材料的使用；结构平面接近矩形时，可以选择对角放置的四角锥网架、抽空四角锥网架或者棋盘形四角锥网架；如果平面属于圆形或多边形，需要使用三向网架，抽空三角金字塔网架以及三角金字塔网架[1]。

3 网架结构的优点

3.1 整体性良好，刚度较大

网架结构中的各杆件既属于受力杆，又是支撑杆，相互协同工作，因此，其具有空间刚度大，整体性良好，可以对集中荷载、非对称荷载以及动荷载等进行承载的优势。

3.2 适应性强

网架结构可以与不同支承条件的工业厂房和公共建筑的要求相适应，对建筑平面的形状要求不高，适用于多边形、正方形、圆形、三角形、扇形以及由此组合而成的各种平面形状的建筑，既可以在大跨度屋盖中使用，也可以在小跨度屋盖中使用。网架内部空间中还可以设置管道、灯具、吊顶以及检修马道等设施。关于大跨度厂房，可以沿纵、横2 个方向完成悬挂吊车的设置,更好地与工艺要求相适应。

3.3 抗震性能良好

网架结构的质地均匀，自重轻，延性非常良好，可以吸收大量的地震能，整体稳定性良好，因此，其抗震性能较强。

3.4 生产与安装的工业化程度较高，施工周期短

网架结构大量节点以及杆件的尺寸与形状一致，在工业化中便于大批量生产，现场拼装较为简单，可以提高施工速度，缩短施工周期，进而可以为提高项目的经济效益创造条件。

3.5 建筑造型美观

网格结构具有美观、重量轻、装饰性强以及施工方便等优点，比如，在公共建筑中使用比较大的挑檐，不仅可以使建筑形状得以丰富，还可以保障网格构件的受力更加合理。在体育建筑中使用网架屋盖（四点支承外漏），可以使体育建筑的雄伟和劲度得以体现。除此之外，钢管杆件球节点的具体网架部分外露或者直接外露，可以显出几何图形的规则性，最终形成比较独特的结构，存在韵律美。

3.6 设计与计算简便

当前，我国有很多设计通用程序以及网架结构分析软件，一些单位已经在使用针对性的软件，可以直接完成施工图的绘制。在结构计算方面，也存在非常多适用于不同类型网架解耦设计的近似计算图表。所有这些都为网架结构的计算与设计提供了有利条件。除此之外，由于网架节点和杆件存在单一性，其结构施工图的数量也较少，因此，可以减少工程设计人员的工作量。

4 网架结构存在的形式

常见的网架结构包括以下形式：（1）由平面架系组成的两向正交斜放网架和两向正交正放网架等；（2）由四角锥体组成的正放抽空四角锥网架、正放四角锥网架、斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架以及星型四角锥网架；（3）由三角锥体组成的抽空三角锥网架、三角锥网架以及蜂窝形三角锥网架等[2]。

5 网架结构屋顶排水情况

5.1 网架起拱

在屋顶上方设计网架起拱，主要是为了保持网架的上下弦杆件平行，并且应注意在跨度中间使整个网架抬高，拱形高度需要按照屋顶排水坡度进行确定，该设计方法可以提高结构的抗震性能。但是需要注意，如果外倾角较高，会对杆件的内力造成一定的影响。

5.2 上弦节点小立柱的上设

在网架的上弦节点可以设置立柱，形成排水坡度，只要改变小立柱的高度或布置方式，就可以形成双坡、四坡或者其他比较复杂化的多坡排水系统。小柱的结构比较简单，是当前非常常用的一种找坡方法。但是，如果网架跨度比较大时，小柱的高度也会增加，但是细长小柱的抗震性能较弱，因此，在地震带使用小立柱时，需要进行稳定性检查以及计算。

6 网架结构节点设计

6.1 计算中对称性的使用

空间网架结构属于高次超静定体系，但其杆件内里以及节点位移都需要利用最终荷载状态进行控制。如果结构体系本身及其所承受的荷载都存在对称性，为了减少计算工作量，可以选择整个网架的1/2n 进行分析。

6.2 网架节点构造

节点构造的合理性会对网架的工作性能、工程造价以及安装质量等造成一定的影响。当前情况下，钢板节点和球节点较为常用，球节点主要包括螺栓球节点和焊接空心球节点。

1）钢板节点。钢板节点的特点包括零件多、受力复杂、焊缝多等。如果弦杆的内力较大，不能外加盖板连接，只能在节点板的基础上进行受力传递。这样就会使节点板的内力分布更加复杂。在焊接钢板节点中，如果角焊缝强度比较差，可以使用角焊缝以及槽焊为主的连接设计节点，这样可以保障各汇交杆件的重心交于一点，与此同时，需要保障杆件截面中心以及杆件连接焊缝的中心重合，避免出现偏心力。

2）焊接空心球节点。焊接空心球节点在钢管杆件的各种网架中使用较多。其优点包括：球体不存在方向性，可以和任意方向的杆件相互连接，使钢管与轴线垂直，和空心球节点对接相连易于对中，不会出现偏心，节点受力非常明确。

3）螺栓球节点。螺栓球节点形状小巧、质量轻、非常美观。每个节点最多可以连接约18 根杆件。节点处的焊接工作量较少，安装非常简便，可以实施一定的拆卸。可以在各类网架中进行使用，特别书用于四角锥以及三角锥组成的网架中。但是，这种节点还存在一些缺点：价格高、球体加工复杂、防锈性能较差，要进行内外镀锌，并且螺栓球节点属于相应的铰接。

7 结语

总之，网架结构是空间结构中比较基本的类型，其使用范围非常广泛。随着技术的不断完善和发展，相信在未来，它将会不断向着减小结构自重和增加结构跨度的方向发展，进一步促进建筑行业的发展。