我國空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展分析

張玉萍 溫 欣

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種平板型的,由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過節(jié)點連接而形成的空間結(jié)構(gòu),屬于空間鉸接桿系,多次超穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu),具有工業(yè)化程度高、自重輕、穩(wěn)定性好、外形美觀的特點。

構(gòu)成網(wǎng)架的基本單元包括三角錐、三棱體、正方體、截頭四角錐等,由這些基本單元可組合成平面桁架系網(wǎng)架,四面錐體系網(wǎng)架,三角錐體系網(wǎng)架等不同網(wǎng)架形式;根據(jù)網(wǎng)架連接節(jié)點形式不同,一般可以分為焊接球節(jié)點,螺栓球節(jié)點,鋼板節(jié)點三大類。

我國于1964年建成第一個平板網(wǎng)架(上海師范學(xué)院球類房,31.5 m×40.5 m);在1967年建成的首都體育館采用斜放正交網(wǎng)架,其矩形平面尺寸為99 m×112 m,厚6 m,采用型鋼構(gòu)件,高強螺栓連接;1973年建成的上海萬人體育館采用圓形平面的三向網(wǎng)架凈架110 m,厚6 m,采用圓鋼管構(gòu)件和焊接空心球節(jié)點;20世紀(jì)80年代后期北京為迎接1990年亞運會興建的一批體育建筑中大部分皆采用平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu);時至今日,空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛,被廣泛用作體育館、展覽館、俱樂部、影劇院、食堂、會議室、候車廳、飛機庫、車間等的屋蓋結(jié)構(gòu)。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用特點分析

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式特點決定了網(wǎng)架作為一種空間桿系結(jié)構(gòu),具有三維受力特點,能承受各方向的作用,具體體現(xiàn)為以下幾個方面:

1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的剛度大,整體性好,抗震能力強。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由很多桿件從兩個或幾個方向有規(guī)律地組成的高次超靜定空間結(jié)構(gòu),由于桿件之間的相互支持作用,它改變了平面桁架受力體系,能承受來自各方的荷載,其剛度大、整體性好、抗震能力強。而且能夠承受由于地基不均勻沉降所帶來的不利影響,自動調(diào)節(jié)桿件內(nèi)力,從而保持結(jié)構(gòu)安全。2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自重輕,節(jié)約鋼材。鋼管網(wǎng)架用鋼量一般為20 kg/m2左右,而跨度在100 m左右的網(wǎng)架用鋼量為65 kg/m2。隨著選材的不同,百米跨度的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用料量也可以大幅度降低,以上海浦東游泳館為例:屋面呈貝殼流線形,其屋頂網(wǎng)架采用鋁鈦合金制作,它的用材量為24 kg/m2,僅為普通網(wǎng)架結(jié)構(gòu)材料的1/3重,相應(yīng)也減輕了屋面荷載。3)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適應(yīng)于各種平面形式的建筑。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性大,既適用于中小跨度的建筑,也適用于大跨度的房屋,從建筑物平面形式來說,它適于矩形、圓形、扇形及各種多邊形的平面建筑形式。4)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)取材方便。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般取材于Q235或Q345鋼,桿件截面形式多采用鋼管或型鋼,有鋼板節(jié)點網(wǎng)架、螺桿球節(jié)點網(wǎng)架、支座節(jié)點網(wǎng)架、焊接球節(jié)點網(wǎng)架多種節(jié)點網(wǎng)架形式,取材方便,方便施工。5)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適宜于工廠化生產(chǎn)。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件或部件規(guī)格劃一,適應(yīng)工廠化生產(chǎn),從而為加快工程進度提供了有利條件和保證。

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計流程和施工要點分析

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)符合我國相關(guān)規(guī)范的要求,同時結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點,進行具體設(shè)計,一般可以分為模型分析,網(wǎng)架計算,施工圖調(diào)整三個階段。

1)模型分析階段。應(yīng)當(dāng)注意初期網(wǎng)格尺寸的劃分,網(wǎng)架厚度的選取,平面上調(diào)整支座位置等關(guān)鍵點的確定;對于網(wǎng)架邊緣,支座位置的調(diào)整,應(yīng)當(dāng)遵守“兩個滿足,反復(fù)調(diào)整”的原則,即既要滿足網(wǎng)架受力的結(jié)構(gòu)特點,又要滿足建筑外形,同時調(diào)整模型接近至圖紙要求水平;應(yīng)對CAD三維命令及相應(yīng)的空間建模工具熟悉,以加快建模速度。2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計算階段。網(wǎng)架計算過程中,對于支座情況的設(shè)置,荷載的輸入,工況的組合,以及計算結(jié)果的調(diào)整等重要環(huán)節(jié)應(yīng)引起足夠重視,具體而言包括風(fēng)荷載是否能夠準(zhǔn)確輸入,針對于真實情況下的支座構(gòu)件情況的模擬是否準(zhǔn)確,工況組合的時候中分項系數(shù)設(shè)置的考慮是否適宜,對于計算結(jié)構(gòu)中內(nèi)力或撓度不滿足規(guī)范要求情況的調(diào)整方法的掌握,以及對于幾何可變情況的檢查和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點中對于螺栓大小的控制是否合適等。3)施工圖調(diào)整階段。施工圖調(diào)整階段主要是節(jié)點施工圖的計算和加工施工圖的出圖,在此過程應(yīng)當(dāng)注意以下幾點問題:a.出加工圖以前,施工單位應(yīng)當(dāng)復(fù)核現(xiàn)場的所有支座位置的準(zhǔn)確坐標(biāo),根據(jù)現(xiàn)有的支座坐標(biāo)調(diào)整模型中的支座位置,計算滿足后才能夠出具加工圖;b.在計算球圖的時候,應(yīng)注意基準(zhǔn)面的選取,一般上弦層工藝孔朝上,下弦層一般也朝上,若需要吊頂則工藝孔朝下。水平網(wǎng)架一般都選水平面為基準(zhǔn)面,弧形網(wǎng)架一般都選用擬合平面比較好,但是多個弧線相交的位置最好重新用其他基準(zhǔn)面來計算;c.對于網(wǎng)架模型在計算軟件里面,平面所在的位置,一定要移動到基點,否則出圖會產(chǎn)生很多微小角度上的差別,影響網(wǎng)架球的安裝?？偠灾?在設(shè)計階段最終應(yīng)當(dāng)滿足“模型尺寸正確,荷載施加準(zhǔn)確,工況組合全面,控制指標(biāo)不超”的要求。

2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工要點

2.2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝方法

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)符合我國JGJ 7-91網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程,JGJ 78-91網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn),GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范,GB 50011-2008建筑抗震設(shè)計規(guī)范等相關(guān)規(guī)范要求。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝方法應(yīng)該在滿足工程質(zhì)量、安全、進度和經(jīng)濟效果的要求下,結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)條件,充分考慮網(wǎng)架不同類型和受力,構(gòu)造特點等影響因素綜合確定,具體安裝方法包括:

1)高空散裝法。適用于螺栓連接節(jié)點的各種類型網(wǎng)架,并宜采用少支架的懸挑施工方法。2)分條或分塊安裝法。適用于分割后剛度和受力狀況改變較小的網(wǎng)架,如兩向正交正放四角錐、正放抽空四角錐等網(wǎng)架,分條或分塊的大小應(yīng)根據(jù)起重能力而定。3)高空滑移法。適用于正放四角錐、正放抽空四角錐、兩向正交正放四角錐等網(wǎng)架,滑移時滑移單元應(yīng)保證成為幾何不變體系。4)整體吊裝法。適用于各種類型的網(wǎng)架,吊裝時可在高空平移或旋轉(zhuǎn)就位。5)整體提升法。適用于周邊支承及多點支承網(wǎng)架,可用升板機、液壓千斤頂?shù)刃⌒蜋C具進行施工。6)整體頂升法。適用于支點較少的多點支承網(wǎng)架。

2.2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝的相關(guān)注意事項

1)采用吊裝或提升、頂升的安裝方法,其吊點的位置和數(shù)量的選擇,應(yīng)考慮下列因素:a.宜與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用時的受力狀況相接近;b.吊點的最大反力不應(yīng)大于起重設(shè)備的負(fù)荷能力;c.各起重設(shè)備的負(fù)荷宜接近。2)安裝方法選定后,應(yīng)分別對網(wǎng)架施工階段的吊點反力、撓度、桿件內(nèi)力、提升或頂升時支承柱的穩(wěn)定性和風(fēng)載下網(wǎng)架的水平推力等項進行驗算,必要時應(yīng)采取加固措施。施工荷載應(yīng)包括施工階段的結(jié)構(gòu)自重及各種施工活荷載。安裝階段的動力系數(shù),當(dāng)采用提升法或頂升法施工時,可取1.1;當(dāng)采用拔桿吊裝時,可取1.2;當(dāng)采用履帶式或汽車式起重機吊裝時,可取1.3。3)無論采用何種施工方法,在正式施工前均應(yīng)進行試拼及試安裝,當(dāng)確有把握時方可進行正式施工。4)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工時,必須認(rèn)真清除鋼材表面的氧化皮和銹蝕等污染物,并及時采取防腐蝕措施。

3 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展對策及今后研究方向

3.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展對策分析

1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)參數(shù)與工程實際應(yīng)相符合。在實際工作中,往往忽視空調(diào)機、風(fēng)管、空調(diào)水、消防等設(shè)施引起的荷載,等到網(wǎng)架安裝時,或是設(shè)備、裝修施工時,問題才充分暴露出來,導(dǎo)致設(shè)備安裝、吊頂裝修不得不屈同網(wǎng)架結(jié)構(gòu),從而給室內(nèi)裝修空間利用帶來諸多麻煩,影響最終效果。2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的室內(nèi)精裝修方案應(yīng)先于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的室內(nèi)精裝方案是建筑設(shè)計院做的初步方案,在實施前,建設(shè)方應(yīng)重視請裝修設(shè)計單位預(yù)先進行精裝修方案的設(shè)計,以避免在精裝修階段增加網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮到的荷載,實施時產(chǎn)生設(shè)計與裝修的矛盾,導(dǎo)致精裝修屈同于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計,使精裝修難以實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。3)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝方法應(yīng)體現(xiàn)在合同中。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝方法在合同中往往留下伏筆,當(dāng)進現(xiàn)場作業(yè)時,碰到的第一個問題是施工組織設(shè)計,涉及到的重要問題之一是安裝方法的采用,從而也就涉及到施工費用問題,導(dǎo)致甲方不得不讓步于安裝單位,增加不必增加的費用,以保證網(wǎng)架的安裝進度。

3.2 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)今后研究方向

隨著我國經(jīng)濟實力的增強,空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)科研工作的深入,各種計算手段的豐富,我國今后空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢:1)結(jié)構(gòu)形式多樣化,空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)多姿多彩。近年來興建的大型公共建筑大多都采用了鋼管桿件直接匯交的管桁網(wǎng)架結(jié)構(gòu),它的外形豐富、結(jié)構(gòu)輕巧,傳力簡捷、制作安裝方便、經(jīng)濟效果好,正在引起日益廣泛的重視和應(yīng)用。2)現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)的引入使空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更具活力。在大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中引入現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù),使結(jié)構(gòu)體形更為豐富的同時,也使其先進性、合理性、經(jīng)濟性得到充分展示。目前許多高校對涉及索托結(jié)構(gòu),索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等以高強鋼索與鋼材為主承重結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)新體系正在進行理論研究,積極準(zhǔn)備工程實踐,可以預(yù)期新型的預(yù)應(yīng)力大跨空間網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)在將來必將有廣闊的發(fā)展空間。3)結(jié)構(gòu)新材料的應(yīng)用進一步推動空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在普通碳素鋼獲得大量應(yīng)用的同時,不銹鋼、鋁合金、膜材也在許多大跨度網(wǎng)架建筑中獲得了應(yīng)用,國際上已有許多專業(yè)生產(chǎn)公司建成了較多的鋁合金結(jié)構(gòu)。我國的相關(guān)科研院所和企業(yè)也已經(jīng)開始進行基礎(chǔ)性研究和工程實踐,積極進行產(chǎn)品研制、開發(fā),并進行了一些工程實踐,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效果。4)計算技術(shù)的進步為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。當(dāng)前已經(jīng)研發(fā)出一些網(wǎng)架分析軟件,一般這些軟件都具有完善的前后處理功能,可在計算機上進行復(fù)雜的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計,隨著研究的深入,軟件程序在功能上將更趨完善,涵蓋面也將會不斷擴展。5)產(chǎn)、學(xué)、研緊密結(jié)合是推動空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展的源動力。從20年來網(wǎng)架生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展過程可以看出堅持產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合是企業(yè)興旺發(fā)達的重要保證。未來產(chǎn)、學(xué)、研一體化的更加緊密結(jié)合將可以使得企業(yè)最便捷地將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,以最新技術(shù)促進產(chǎn)品質(zhì)量的提高,加速產(chǎn)品更新?lián)Q代,增強在市場競爭中的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)今后發(fā)展的一個重要趨勢就是大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),大跨空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是衡量我國建筑科技水平的重要標(biāo)志之一,我國當(dāng)前針對于大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所涉及需要的新體系、新技術(shù)、新材料還存在很大欠缺,有待進一步研究和完善,以更充分的體現(xiàn)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的先進性、經(jīng)濟性與合理性,最終促使我國空間鋼結(jié)構(gòu)積極、健康地發(fā)展,更好的為我國經(jīng)濟建筑服務(wù)。

[1] JGJ 7-91,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工規(guī)范[S].

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