組合網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)及應(yīng)用

姜鐵栓　霍亮

【摘 要】組合網(wǎng)架是一種由鋼網(wǎng)架和混凝土肋板組成的空間結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系既能發(fā)揮兩種不同材料的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，又能使結(jié)構(gòu)的承重和圍護(hù)功能合二為一，是近年來很有發(fā)展前景的一種結(jié)構(gòu)形式。

【關(guān)鍵詞】組合網(wǎng)架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)；應(yīng)用

引言

空間結(jié)構(gòu)一直是備受矚目的結(jié)構(gòu)形式，它的主要特點(diǎn)就是能夠充分利用不同材料的特性，來適應(yīng)各種建筑功能及造型需要，它具有重量輕、受力合理、抗震性能突出、造價(jià)低、形式活潑新穎等優(yōu)點(diǎn)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是大跨度空間結(jié)構(gòu)在現(xiàn)今已經(jīng)成為代表一個(gè)國(guó)家建筑技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。

當(dāng)前我國(guó)空間結(jié)構(gòu)中以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展最快，應(yīng)用最為廣泛。我國(guó)近年來在體育館、練習(xí)房、俱樂部、展覽館、影劇院、商場(chǎng)、會(huì)場(chǎng)、食堂、候車室以及工業(yè)廠房、大型機(jī)庫(kù)、采光天井等建筑中都可以采用。網(wǎng)架是由很多桿件從兩個(gè)或幾個(gè)方向有規(guī)律地組成的高次超靜定結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是空間剛度大、整體性好、又有良好的抗震性能、能適應(yīng)各種不同的建筑物造型要求；同時(shí)，還具有節(jié)省鋼材，重量輕，制造和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

一、組合網(wǎng)架的特點(diǎn)

組合網(wǎng)架是從一般網(wǎng)架結(jié)構(gòu)演變而來的，組合網(wǎng)架是將網(wǎng)架上弦桿改用鋼筋混凝土平板或者帶肋板來代替，下弦桿和腹桿則仍然采用鋼材，以充分發(fā)揮鋼材受拉和混凝土受壓的有利條件，使兩種不同材料充分發(fā)揮各自的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)；又使結(jié)構(gòu)的承重和圍護(hù)功能合二為一，既可應(yīng)用于屋蓋，也可應(yīng)用于樓蓋，故組合網(wǎng)架是今后值得廣泛發(fā)展和大范圍推廣應(yīng)用的新型結(jié)構(gòu)體系。

在形式眾多的空間結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是當(dāng)前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式，其中在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的就屬組合網(wǎng)架，這主要是由于它具有下列一系列的優(yōu)點(diǎn)：

（一）結(jié)構(gòu)布置靈活多樣但又有高度的規(guī)律性，便于采用，可以滿足各種建筑平面的要求。

（二）節(jié)點(diǎn)連接簡(jiǎn)便可靠，便于推廣。網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)及其部件的規(guī)格種類少，便于進(jìn)行大批量生產(chǎn)，近年來己經(jīng)逐漸的做到定型化、工廠化和商品化，不僅保證了其受力性能合理，質(zhì)量可靠而且簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)連接的制作與安裝。

（三）結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)計(jì)算已經(jīng)成熟，而且可以采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，大大提高了效率。

（四）各構(gòu)件的加工制作機(jī)械化程度高，并且已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)工廠化，這樣既能保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量同時(shí)也縮短了制作時(shí)間，提高效率，凸顯優(yōu)越性。

（五）經(jīng)濟(jì)性很高，能用較少的材料跨越較大的跨度，組合網(wǎng)架可以充分利用混凝土受壓、鋼材受拉這兩種材料的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，受力性能好，節(jié)省材料。

（六）滿足建筑工業(yè)化和商業(yè)化的需要。

與普通鋼網(wǎng)架相比，組合網(wǎng)架也有其缺點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面：

一是組合網(wǎng)架用作屋蓋時(shí)，由于屋面用的是混凝土材料，屬于重屋蓋體系，因此其自重比較大，不宜用于大跨度結(jié)構(gòu)（>60m）；二是隨著跨度增大，鋼筋棍凝土板的受力也增大，這樣，給鋼筋混凝土板腹桿、下弦桿的設(shè)計(jì)等也都帶來了較大的困難；另外其節(jié)點(diǎn)處的用鋼量也比較大，加工制作的費(fèi)用較一般的平面網(wǎng)架也高。

二、目前組合網(wǎng)架在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用

在80年代初期，德國(guó)的Zublin公司推出一種四角錐體系的組合網(wǎng)架，它的上弦節(jié)點(diǎn)是一塊方形鋼板，板的中部呈球缺狀，以便連接任意方向的鋼管腹桿；在鋼板的四角設(shè)有螺栓孔，孔上部呈倒錐形，孔下部有內(nèi)螺紋。Zublin公司推出的這種組合網(wǎng)架體系曾在食堂等屋蓋結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。羅馬尼亞在1981年設(shè)計(jì)了一幢四角錐組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的多功能體育館，該結(jié)構(gòu)為斜放的四角錐組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過試驗(yàn)研究和詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼網(wǎng)架相比，用鋼量節(jié)省了大約22%，同時(shí)造價(jià)降低了1%-2%，當(dāng)時(shí)便認(rèn)為這種組合網(wǎng)架可用于屋蓋，同時(shí)可以將結(jié)構(gòu)的跨度擴(kuò)大到45m-50m。

我國(guó)1987年建成的新鄉(xiāng)百貨大樓加層擴(kuò)建工程，平面尺寸34m×34m，采用斜放四角錐組合網(wǎng)架，這是我國(guó)首次在多層大跨建筑中采用組合網(wǎng)架樓層及屋蓋結(jié)構(gòu)，也是我國(guó)多層建筑中最大的組合網(wǎng)架樓層及屋蓋結(jié)構(gòu)。我國(guó)首次用于高層建筑樓層及屋蓋結(jié)構(gòu)的組合網(wǎng)架是長(zhǎng)沙紡織大廈，采用正放抽空四角錐組合網(wǎng)架，平面尺寸24m×27m，柱網(wǎng)分別取12m×10m，12m×7m兩種，總建筑面積約700m2，是目前覆蓋建筑面積最大的群體組合網(wǎng)架。跨度為20m左右的組合網(wǎng)架樓層和屋蓋結(jié)構(gòu)，可在一般的公共和工業(yè)建筑中采用，例如，長(zhǎng)沙歌舞劇院排練場(chǎng)平面尺寸為18m×21m，采用的便是正放四角錐組合網(wǎng)架樓層。我國(guó)在1993年建成的上海國(guó)際購(gòu)物中心7、8樓層，平面尺寸為27m×27m，采用的是預(yù)應(yīng)力正放四角錐組合網(wǎng)架，截去一個(gè)長(zhǎng)12m的等腰三角形，選用預(yù)應(yīng)力后節(jié)省鋼材32%。2009年濟(jì)南市體校新校區(qū)2號(hào)館樓蓋，是目前國(guó)內(nèi)第一個(gè)樓板全現(xiàn)澆的預(yù)應(yīng)力組合網(wǎng)架，平面尺寸為30m×40m，網(wǎng)架厚度為1.65m，采用下弦桿內(nèi)布索的方式。

三、目前組合網(wǎng)架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可靠性理論

結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展經(jīng)歷得了幾個(gè)階段，包括幾何學(xué)設(shè)計(jì)法、荷載系數(shù)設(shè)計(jì)法、容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、破損階段設(shè)計(jì)法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

在將數(shù)學(xué)和科學(xué)應(yīng)用于建筑以前，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則主要是依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)。許多準(zhǔn)則通常是根據(jù)幾何原理給出建筑安全的限制，這便是結(jié)構(gòu)最初的設(shè)計(jì)理論一幾何學(xué)設(shè)計(jì)法。這些準(zhǔn)則通常是建立于不斷的嘗試與失敗的基礎(chǔ)上，基本屬于是經(jīng)驗(yàn)的判斷，例如梁柱尺寸也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照建筑物的比例而定。

隨著線彈性理論的發(fā)展，出現(xiàn)了容許應(yīng)力法，在結(jié)構(gòu)工程發(fā)展初期，采用容許應(yīng)力的設(shè)計(jì)法還是比較合理的，但是由于工業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)工程中大量的采用了鋼材和混凝土，這些材料都有不同程度的塑性，因此在采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不合理的結(jié)果。這種設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)實(shí)際性能相差很大，不能正確地揭示結(jié)構(gòu)工作的內(nèi)在規(guī)律，現(xiàn)在絕大多數(shù)國(guó)家已不再使用。

隨著設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，出現(xiàn)了按破壞階段的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，即荷載系數(shù)法也稱破損階段法，這種方法考慮了材料的塑性，其設(shè)計(jì)原則是：結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到破損階段時(shí)的計(jì)算承載能力R應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)荷載引起的構(gòu)件內(nèi)力S乘以安全系數(shù)K，即：KS簇R其中這個(gè)階段安全系數(shù)通常是由經(jīng)驗(yàn)判斷的。從設(shè)計(jì)角度來說，破損階段法考慮了材料的塑性和極限強(qiáng)度，從而確定結(jié)構(gòu)的最終承載力，但在可靠性方面，還是由安全系數(shù)來保證，這與容許應(yīng)力法相同，也存在類似的缺點(diǎn)。后來隨著對(duì)荷載和材料變異性能的研究，認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)作用力以及結(jié)構(gòu)的極限承載能力非定值，進(jìn)而出現(xiàn)了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法與破壞階段設(shè)計(jì)方法的主要區(qū)別是規(guī)定了結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，并用分項(xiàng)系數(shù)的形式代替了承載力總安全系數(shù)。

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