大跨度四坡水方型钢管正交斜放空腹网架研究与应用

代阳光 马克俭

摘 要：大跨度四坡水方型钢管正交斜放空腹网架结构体系是马克俭教授所提出来的一种新型钢空腹网架。它是由具有斜度的方钢管上弦与水平下弦通过方钢管竖杆组成钢空腹桁架，两两正交斜放，所组成的矩形平面（Lx/Ly≥1.5）四坡水钢空腹网架。研究表明这种新型空间屋盖受力合理，结构安全可靠，可以为相关工程设计提供参考。

关键词：钢空腹网架;钢空腹夹层板;正交斜放;大跨度

现如今随着科技的快速发展和经济的持续增长，各行各业都发生了天翻地覆的变化，建筑行业也不例外。近年来，大跨度建筑的稳定发展，虽然带来了很高的经济效益，但是仍然有很多建筑结构存在诸多的不足，比如：“安全、环保、和空间合理利用”等方面。为了满足大跨度发展的更高要求，马克俭院士提出了一种新型的空间结构体系，即大跨度四坡水方型钢管正交斜放空腹网架，用来满足大跨度屋盖更柔、更轻、阻尼更小的要求。该结构是一种新型的空间结构体系。本文将依据研究背景、结构种类特点、工程应用以及发展优势几方面来对此新型结构展开论述。

1研究背景

20世纪70年代末期，被称为“CUBIC Space Frame”的空腹网架结构体系是由英国结构工程师Leszek和他的儿子Leslie共同研发的。即我们常说的钢空腹网架结构，其结构体系中不含斜腹杆，主要靠框架作用来抵抗荷载。因其是装配式结构，可以提前在工厂加工制作，在工地进行装配，使用起来及其便捷。最早采用“CUBIC Space Frame”结构体系的工程是1979年英国特伦特工业大学平面尺寸为12m×20m的排演厅屋盖。随后这种“CUBIC Space Frame”也应用于英国的另一大跨度结构—斯坦斯特机场FFV飞机库，该飞机库为其对角線跨度分别为170.256m和98.034m的菱形平面结构，空腹网架高度为4m。这两个工程实例不仅将钢空腹网架由理论变为实践，而且也体现了钢空腹网架在大跨度结构体系中的优越性。国内，1984年马克俭教授以及其团队经过大量的研究与试验，首次提出“钢筋混凝土空腹网架屋盖和楼盖结构”，并于次年将理论运用于实践中，建造了“贵州省工人疗养院食堂”。此工程面积虽小，平面尺寸只有11m×22m，但是其结构功能既可以当屋盖，也可以当楼盖。而且在1985年得到了中国土木工程学会空间结构委员会的认可后，这种空腹网架结构在“贵州安顺体育训练馆”又得以应用。结构平面尺寸（图1a）为42m×24m，采用正交斜放的网格形式（图1b）。空腹网架结构又一次取得良好的工程实践效果，大大推进了空腹网架结构的发展和应用。

已申报专利的“大跨度四坡水方型钢管正交正放空腹网架结构”，解决多、高层商场与写字楼建筑采用混凝土或钢框架结构，将项目中框架柱抽去形成大跨度大面积的四坡水屋盖结构难题，此类钢空腹网架，是正交的空腹桁架，沿方形或矩形（Lx/Ly<1.5）平面，长边（Lx）与短边（跨度Ly）平行布置使屋盖结构形成“双向板”的力学模型。x和y向空腹桁架受力均匀，节约用钢量，如长边（Lx）与短边（Ly）之比Lx/Ly<1.5时，长向传递荷载40%，短向60%，故正交正放空腹网架，方形平面受力最均匀（各0.5q），当矩形平面大跨度空腹网架长短边之比（Lx/Ly>1.5）时，两个方向空腹桁架受力极不均匀，如Lx/Ly=2时，（Lx=60m，Ly=30m）长向空腹桁架传递屋面荷载（q）0.125q，跨度方向承担0.875q，如同混凝土单向板力学模型受力极不均匀，浪费钢材30%以上，为了屋盖结构受力合理，节约大量钢材，当屋盖矩形平面的长短边之比Lx/Ly≥1.5后，采用“大跨度四坡水方型钢管正交斜放钢空腹网架屋盖结构”;目前尚未对该新型结构进行研究。本文首次对该新型结构进行研究分析，旨在为以后相关的研究和设计提供理论参考。

2结构种类特点

2.1空腹网架种类

在我国，空腹网架的重要种类有四种，其是按照空腹桁架的交叉方式来分类的：两向正交正放、两向正交斜放、两向斜交斜放和三向网架。同时，空腹网架按照材料又可以分为钢空腹网架和钢筋混凝土空腹网架。

2.2空腹网架特点

（1）空腹网架结构为高次超静定结构，具有良好的力学性能和更高的安全储备。其多向受力，能有效地承受集中荷载和非对称荷载的作用，也能承受竖向和水平方向上的地震作用。

（2）空腹网架的空间受力性能和内力重分布性能好。即使地基不均匀沉降、结构局部损坏都不会引起整个结构的破坏，因而有利于修补。

（3）空腹网架属于空间钢架体系，杆件内力较为复杂，有弯矩、剪力、轴向拉力、轴向压力和扭矩，计算起来比较繁琐。一般情况下，上弦杆承受压力、弯矩和剪力的共同作用;下弦杆承受拉力、弯矩和剪力的共同作用，竖杆为双向偏心受压和双向偏心受拉。空腹网架边部承受较大的弯矩和剪力，中间杆件承受较小的弯矩和剪力;而承受的轴力作用则相反，边部承受较小的轴力，中间杆件承受较大的轴力。

（4）空腹网架的计算中一定不能忽略剪切变形的影响。空度网架的折算抗弯刚度中的折算惯性矩，只反映了上弦杆和下弦杆的截面几何特征。但空腹网架的折算抗剪刚度不仅反映了上弦杆和下弦杆的刚度，也反映了其竖杆的刚度。在抗剪刚度中，竖杆的长度和截面几何特征起着至关重要的作用。在挠度计算中，剪切变形对网架的挠度影响较大，若忽略抗剪刚度，则会导致结果出现重大误差。

3工程应用

图2为多、高层商场、写字楼建筑框架结构顶层结构布置图，框架柱网L1=10.8m，除了框架梁外，还有平行长边间距3.6m的次梁，到顶层后。中间8根柱不再伸出，形成Lx×Ly=54m×32.4m=1750m2的建筑面积。

大面积矩形平面楼盖作公共建筑的使用，由于其长短边之比Lx/Ly=1.67>1.5，其力学模型为单向板，再作正交正放网格空腹网架，其长向空腹桁架承载力0.21q，跨度方向0.79q，受力相差4倍，造成空腹网架受力不均匀，为此根据单向板的力学模型，将正交的钢空腹桁架与支座边斜放（45°）形成如图3所示的大跨度矩形平面（Lx/Ly>1.5）四坡水方型钢管空腹网架屋盖，其屋面防水不再采用轻质的彩钢板，而采用现浇和装配整体式的混凝土面板，大幅度提高结构的耐久性和安全度，其外形如图4所示的四坡水富有民族风味的大跨度屋盖。

从图3正交斜放空腹网架结构布置图可知，空腹网架是由如图5a，5b，5cS-4、S-5、S-6所示简图，方钢管空腹桁架正交斜放组成。

当楼盖矩形平面（Lx/Ly>1.5）后，再用正交正放空腹网架时，其x，y向配杆如图6所示，每米两向平均用钢187.2kg/m，图7正交斜放配杆每米两向平均用钢124.8kg/m，用钢量节约1/3左右。

由于屋盖结构为四坡水，各杆件均为方钢管，它的节点构造不同于圆钢管的管桁架需切弧焊接连接，图8所示为方管空腹网架支座端上、下节点，其端部竖杆与下弦节点平焊与上弦节点切角（a1）焊，图9为网架中间节点，竖杆与下弦节点仍为平焊连接，竖杆截面与上弦夹角a，需作具有a1角度的斜截面，在工业化、装配化的今天，所有节点均在工厂车间加工成单元，现场采用可拆卸式“栓焊结合”方式连接形成整体。

4发展优势

该结构为一种新型钢空腹网架结构，它是由具有斜度的方钢管上弦与水平下弦通过方钢管竖杆组成钢空腹桁架，两两正交斜放，所组成的矩形平面（Lx/Ly≥1.5）四坡水钢空腹网架。其空间受力性能好，结构安全可靠，外形独特美观，具有很好的市场应用前景。

5结论

本文对新型钢空腹网架结构进行研究，得出以下结论：

（1）大跨度矩形平面四坡水钢结构屋盖，采用方型钢管作空腹桁架，它们彼此正交斜放（45°）形成大跨度变刚度方形钢管空腹网架屋蓋;

（2）大跨度矩形平面方钢管四坡水空腹网架，它由多种上弦具有坡度的网格组成，其上弦斜面（a1）的正交斜放网格a2稍大于下弦水平网格a1;

（3）方形钢管组成的四坡水正交斜放空腹网架，其上弦正交斜放网格与屋盖坡度相同具有a1角度，即上弦网格（a1×a2）在斜面正交，下弦网格（a1×a1）在水平面内正交;

（4）大跨度方形钢管正交斜放空腹网架的方钢管竖杆是保证空腹网架整体工作的主要受力构件，其竖杆高度随屋盖的坡度而变化，即中间高向周边逐渐减短，但支座处仍必须设置竖杆，其高度由计算确定。

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