網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析

陳放

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400020）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析

陳放

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶400020）

隨著建筑業(yè)進(jìn)入快速增長(zhǎng)時(shí)期，建筑物也朝著高度更高、體量更大發(fā)展，而鋼結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架結(jié)構(gòu)因其具有跨度大、自重較輕的特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)中。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的概述

目前通常將平板型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱(chēng)為網(wǎng)架，將曲面型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱(chēng)為網(wǎng)殼。為保證足夠的剛度，網(wǎng)架一般設(shè)計(jì)為兩層，在某些特殊情況下也可以做成三層。網(wǎng)架由于其良好的空間特性和高度的工業(yè)化生產(chǎn)特點(diǎn)，全能性地適用于大、中、小跨度的屋蓋體系。

網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)重量輕，剛度大，整體效果好，抗震能力強(qiáng)，是高次超靜定空間結(jié)構(gòu)，采用很多桿件沿兩個(gè)或多個(gè)方向有規(guī)律地組成，能夠承擔(dān)由各個(gè)方向傳遞來(lái)的荷載，它改變了一般的平面桁架的傳力方式及其受力體系。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適用于各種跨度的建筑，既適用于大跨度的房屋和廠房，也適用于中小跨度的建筑結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)、桿件、節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)上可實(shí)現(xiàn)規(guī)格化，這對(duì)實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)是非常有利的，也對(duì)提高工程質(zhì)量和加速工程進(jìn)度是有很大好處的。通過(guò)多年的實(shí)踐與發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出通用的計(jì)算機(jī)計(jì)算程序可對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算及深化設(shè)計(jì)，且繪制圖紙比較簡(jiǎn)單，加上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工所具有的特點(diǎn)和優(yōu)越性，也對(duì)發(fā)展我國(guó)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提供了有利的條件。

1.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是各根桿件之間的互相支撐作用，其整體性好，剛度比較大，抗震能力也較強(qiáng)，而且如果地基基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，其所帶來(lái)的不利影響結(jié)構(gòu)也能夠承受住[1]。

（2）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定的空間結(jié)構(gòu)，是由很多桿件沿兩個(gè)方向，或者沿多個(gè)方向按一定規(guī)律的組合而成，能夠承受來(lái)自各個(gè)方向的荷載，它與一般平面桁架的受力傳力體系是不同的[1]。

（3）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自身重量比較輕，在鋼材的用量上比較節(jié)約?？缍仍?0m以上時(shí)明顯比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材，在軟土地基上使用網(wǎng)架更為有利。如已建成的天津市科學(xué)宮，網(wǎng)架平面尺寸×網(wǎng)架高：14.84m×23.32m×1.0m，用鋼量?jī)H為6.3kg/m2。

（4）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的適用性大，對(duì)工業(yè)與民用公共建筑，可采用中小型跨度，也可采用大跨度。從建筑物平面的形式來(lái)講，可采用圓形（上海體育館）、矩形（北京體育館）、馬鞍形（上海體育館）、扇形（上海文化館）、飄帶形（廣州奧林匹克中心）、魚(yú)形（廣州會(huì)展中心）等。

（5）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在鋼材的選取上比較方便，一般多采用Q235鋼或Q345鋼，桿件多采用無(wú)縫鋼管、高頻焊管或其他型鋼。

（6）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于它的桿件、螺栓球、焊接球、錐頭、高強(qiáng)螺栓等已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，適于工廠化生產(chǎn)。

（7）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算已有通用的計(jì)算機(jī)計(jì)算程序和軟件，具有制作施工圖、查看內(nèi)力、作材料表和安裝圖等的功能，給網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有利的條件。

1.3 網(wǎng)架的選型

1.3.1 兩向正交正放網(wǎng)架

兩向正交正放網(wǎng)架由兩個(gè)方向的桁架交叉組成?！罢弧本褪莾蓚€(gè)方向的桁架相互交叉成直角，“正放”就是兩個(gè)方向的桁架分別與建筑物的邊界平行。這種網(wǎng)架剛度較差，適用于正方形的建筑平面，跨度以30～60m的中等跨度為宜。

1.3.2 兩向正交斜放網(wǎng)架

“斜放”就是兩個(gè)方向的桁架分別與建筑物的邊界成450角。兩項(xiàng)正交斜放網(wǎng)架由于短邊桁架對(duì)長(zhǎng)邊桁架起到了支撐作用，因此其剛度較兩向正交正放網(wǎng)架大，使用于60m以上的中、大跨度項(xiàng)目。

1.3.3 錐體網(wǎng)架

前面兩種網(wǎng)架都是由平行弦桁架相互交叉組成，故屬于交叉桁架體系網(wǎng)架。錐體網(wǎng)架是由三角錐、四角錐或六角錐的錐體單元組成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，故屬于角錐體系網(wǎng)架。錐體網(wǎng)架因不是析架交叉組成，故網(wǎng)架的上、下層網(wǎng)格之間設(shè)有豎向腹桿。上、下層網(wǎng)格之間的腹桿，也就是錐體的棱角斜桿。

正放四角錐網(wǎng)架的底邊相連成為網(wǎng)架的上弦桿，錐尖的連桿為網(wǎng)架的下弦桿，上、下弦桿平面錯(cuò)開(kāi)半個(gè)網(wǎng)格，錐體的棱角桿件為腹桿。正放四角錐體網(wǎng)架桿件內(nèi)力比較均勻，當(dāng)為點(diǎn)支承時(shí)，除支座附近的桿件內(nèi)力較大外，其他桿件的內(nèi)力也比較均勻，屋面板規(guī)格比較統(tǒng)一，上、下弦桿件等長(zhǎng)，無(wú)豎桿，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單。四角錐體網(wǎng)架適用于平面接近正方形的中、小跨度周邊支承的建筑，也適用于大柱網(wǎng)的點(diǎn)支承、有懸掛吊車(chē)的工業(yè)廠房和屋面荷載較大的建筑。

2 空間管桁架結(jié)構(gòu)

2.1 空間管桁架結(jié)構(gòu)的概述

近年來(lái)在大跨度空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中管桁架結(jié)構(gòu)得到了前所未有的廣泛的發(fā)展。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架結(jié)構(gòu)體系的區(qū)別主要是在連接方式上它們的節(jié)點(diǎn)是不同的：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)一般采用螺栓球或空心球作為連接點(diǎn)；而空間管桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)則通常采用直接焊接的相貫節(jié)點(diǎn)作為連接點(diǎn)。在空間管桁架結(jié)構(gòu)的相貫節(jié)點(diǎn)位置，只有在同一軸線(xiàn)位置上的兩個(gè)主管才可貫通，其余桿件直接焊接在主管的外表面上，并通過(guò)端部相貫線(xiàn)切割。相貫線(xiàn)的切割以前是技術(shù)難度較高的制造工藝，但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，這些難度已經(jīng)被克服。

空間管桁架結(jié)構(gòu)具有外觀簡(jiǎn)潔、線(xiàn)形流暢的外觀效果，其空間造型也比較多樣，廣泛用于門(mén)廳、航站樓、體育館、會(huì)議中心和展覽中心等建筑。

2.2 空間管桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.2.1 空間管桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

（1）由于在節(jié)點(diǎn)連接的處理方式上，空間管桁架結(jié)構(gòu)采用直接焊接各根桿件，摒棄傳統(tǒng)的連接方式，因而具有施工簡(jiǎn)便，節(jié)省鋼材的優(yōu)點(diǎn)。

（2）節(jié)點(diǎn)連接方式比較簡(jiǎn)單。

（3）結(jié)構(gòu)外觀簡(jiǎn)潔、線(xiàn)形流暢、空間造型多樣化。

（4）所采用的鋼管管壁比較薄，截面有比較大的回轉(zhuǎn)半徑，因而擁有較好的抗壓和抗扭性能，從而結(jié)構(gòu)整體剛度比較大，其幾何特性比較好。

（5）鋼管與大氣接觸的表面積比較小，節(jié)點(diǎn)處各根桿件又是直接焊接，無(wú)積留濕氣和大量灰塵的死角或凹處，便于清刷、油漆，維護(hù)和防銹；并且管形構(gòu)件對(duì)端部及全長(zhǎng)范圍內(nèi)作封閉處理后，在其內(nèi)部是不易生銹的[2]。

（6）從流體動(dòng)力學(xué)角度來(lái)講，圓形管截面的管桁架結(jié)構(gòu)其性能是有優(yōu)勢(shì)的，在風(fēng)力或水流等荷載作用下，圓管結(jié)構(gòu)比其它截面形式的結(jié)構(gòu)其荷載作用效應(yīng)要低得多[3]。

2.2.2 空間管桁架結(jié)構(gòu)的局限性

然而，空間管桁架結(jié)構(gòu)對(duì)其生產(chǎn)和施工工藝以及加工的設(shè)備是有一定要求的，這主要是由于其采用相貫焊接的節(jié)點(diǎn)，因而空間管桁架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用上也存在一定的局限性。

（1）加工和放樣相貫節(jié)點(diǎn)的工藝比較復(fù)雜，手工切割很難做到其相貫線(xiàn)上的坡口變化，因此一般采用機(jī)械加工，且要求施工單位配備數(shù)控的五維切割機(jī)床設(shè)備，對(duì)機(jī)械加工的工藝要求也很高。由于工藝精度的需求以及材料自身的質(zhì)量問(wèn)題(例如鋼管不夠圓)，易導(dǎo)致相貫線(xiàn)不能滿(mǎn)足施工要求，那么施工中就只好在高空進(jìn)行修補(bǔ)，造成安全問(wèn)題，也延誤了工期。

（2）空間管桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)一般采用焊接方式，需要在焊接時(shí)控制其收縮量，對(duì)焊縫的質(zhì)量要求也比較高，因是現(xiàn)場(chǎng)焊接，所以相對(duì)來(lái)講其工作量也比較大。

（3）在用鋼量上空間管桁架結(jié)構(gòu)往往比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大。對(duì)于不同內(nèi)力的桿件，應(yīng)采用不同壁厚但相同外徑的鋼管，壁厚不宜有太多的厚度變化，在弦桿方向上相貫節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能使用同一外徑的鋼管作為桿件，不然各鋼管間的拼接會(huì)比較復(fù)雜，其拼接數(shù)量也太多。從而造成鋼材用量的增加，也不能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。

2.3 空間管桁架結(jié)構(gòu)的主要類(lèi)型

空間管桁架結(jié)構(gòu)按照構(gòu)件的截面形狀可以分為矩形管桁架和圓形管桁架。作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，矩形鋼管具有節(jié)點(diǎn)處桿件平直切割的便利和彎曲性能好的優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。直接焊接節(jié)點(diǎn)矩形鋼管不需要加勁板、節(jié)點(diǎn)板，使得節(jié)點(diǎn)用鋼量減少，節(jié)點(diǎn)形式變得簡(jiǎn)單明了，構(gòu)件在連接上更為方便，在建筑美學(xué)表現(xiàn)上也更好[4]。而圓鋼管的優(yōu)點(diǎn)除了具有較高的慣性半徑及有效的抗扭截面外，還具有其表面沒(méi)有凹凸角，在外形上對(duì)空氣動(dòng)力也是有利的。圓管結(jié)構(gòu)的制造在成本上要比矩形管結(jié)構(gòu)的制造費(fèi)用高。如果弦桿與支桿相比較，其太小相差不大，并且支桿直接與弦桿焊接時(shí)，支桿端部需沿相貫線(xiàn)進(jìn)行切割，管端部的坡口也需沿管周邊進(jìn)行變化以方便焊接。半自動(dòng)或手工對(duì)圓管的相交線(xiàn)切割要比矩形管的直線(xiàn)切割費(fèi)用高很多[4]。

目前在國(guó)外，由于以上的種種原因，圓管沒(méi)有矩形管應(yīng)用廣泛，工廠的加工存貨也較少，因而材料的準(zhǔn)備時(shí)間比較長(zhǎng)。在結(jié)構(gòu)中，如在桁架上部弦桿上放置其它結(jié)構(gòu)或板條，矩形管則具有很好的連接表面，用以支撐這些結(jié)構(gòu)。將支撐結(jié)構(gòu)焊接到圓管上比焊接到矩形管上要復(fù)雜得多[4]。在選取材料時(shí)，另外一個(gè)需要注意的因素是矩形管更便于運(yùn)輸和存放，這是在又一個(gè)重要方面矩形管比圓管好。

最常見(jiàn)的空間管桁架形式是空間三角形桁架。這種結(jié)構(gòu)造型美觀，安裝方便，穩(wěn)定性好，與網(wǎng)架相比，三角形空間桁架省去了下弦縱向桿件，建筑形式也比空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更靈活多樣，所以應(yīng)用也比較多。

表1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與管桁架結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

責(zé)任編輯：李紅

3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析（見(jiàn)表1）

4 結(jié)論

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空間管桁架結(jié)構(gòu)既有聯(lián)系也存在區(qū)別。聯(lián)系在于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)豎向力的傳力是兩向或者三向的，若將連續(xù)的網(wǎng)架抽空變成單向連續(xù)的網(wǎng)格，那么結(jié)構(gòu)就轉(zhuǎn)化成了空間管桁架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（不考慮結(jié)點(diǎn)差異）。網(wǎng)架與空間管桁架的重要區(qū)別在于其各自不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，網(wǎng)架桿件靠螺栓球或焊接球連接，而空間管桁架則是相貫焊接。

網(wǎng)架的空間性體現(xiàn)在整體方面，受力特性猶如一塊板，其空間性是整體的；管桁架的空間性是體現(xiàn)在構(gòu)件層次上的。至于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架的用鋼量比較，這方面影響因素較多，比如支承條件，建筑外形，荷載大小等，需要具體問(wèn)題具體分析，如建筑外形長(zhǎng)寬比較大的建筑更加適用空間桁架結(jié)構(gòu)，外形長(zhǎng)寬比較小的建筑適合多向傳力較為均勻的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

[1]楊際梅.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與管理研究[D].天津：天津大學(xué)，2006

[2]范小平.預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)形式研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2010

[3]武鵬.缺陷對(duì)管桁架結(jié)構(gòu)工況影響分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2008

[4]蘇銳.直接焊接方管桁架支桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005

Analysison the CharacteristicsofGrid Structureand Space Tube Truss

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和空間管桁架結(jié)構(gòu)作為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要類(lèi)型，是空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，該文將對(duì)其各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究分析。

螺栓球；焊接球；相貫節(jié)點(diǎn)

As themain types of space grid structure,grid structure and space tube truss are themostwidely used structure types in space structure.Research and analysison thestructural characteristicsof the two typesare introduced in thispaper.

boltball;welding ball;tubular joints

TU356

A

1671-9107（2012）06-0014-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.06.014

2012-05-20

陳放（1976-），男，重慶萬(wàn)州人，大學(xué)本科，工程師，主要從事建筑物的檢測(cè)和鑒定工作。