風(fēng)雨操場網(wǎng)架屋面的選型與優(yōu)化設(shè)計

徐 梁 杰

(濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟(jì)南 250101)

風(fēng)雨操場網(wǎng)架屋面的選型與優(yōu)化設(shè)計

徐 梁 杰

(濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟(jì)南 250101)

通過對風(fēng)雨操場屋面網(wǎng)架實(shí)際案例中的幾種方案的比較與分析，針對常用的中小型矩形屋面結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計過程提出了幾點(diǎn)建議，相應(yīng)的方法和設(shè)計過程可以運(yùn)用到網(wǎng)架的選型和設(shè)計過程中。

風(fēng)雨操場屋面，矩形網(wǎng)架，正放四角錐結(jié)構(gòu)

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)選型的考慮因素

網(wǎng)架形式對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、制作安裝和施工進(jìn)度控制都有直接的影響。影響網(wǎng)架結(jié)構(gòu)選型的因素有很多，但從原則上講，選用的網(wǎng)架類型除經(jīng)濟(jì)最優(yōu)外，還應(yīng)做到節(jié)點(diǎn)最少、網(wǎng)格最大，從而使桿件截面更有效的發(fā)揮作用，同時也使網(wǎng)架采光更通透，造型簡潔大方；但還要受到構(gòu)件種類與圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的限制。因此，必須根據(jù)經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的原則，綜合考慮各種因素條件，才能確定最佳網(wǎng)架形式。

2 風(fēng)雨操場屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)例

2.1 工程背景

本工程為濟(jì)南市某學(xué)校風(fēng)雨操場。地下1層，地上2層，其中頂層為風(fēng)雨操場。網(wǎng)架覆蓋面積沿長度方向36 m，沿寬度方向24 m，柱距6.0 m，采用上弦平面周邊支承方式。建筑平面圖如圖1所示。

2.2 設(shè)計過程

2.2.1 選型分析

對于邊長比不大于1.5及平面形狀為方形或接近方形的網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)呈雙向受力狀態(tài)，此時可選用的網(wǎng)架方案類型很多。其中正放四角錐網(wǎng)架空間剛度最大，受力比較均勻，構(gòu)件布置簡單，有利于定型化生產(chǎn)，屋面桿件規(guī)格少，使用廣泛；棋盤型四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架，抽空可減少桿件與節(jié)點(diǎn)數(shù)量，能充分發(fā)揮桿件截面的作用，受力合理，節(jié)省用鋼量，但會降低結(jié)構(gòu)的整體剛度與超靜定次數(shù)。本工程將對上述三種形式網(wǎng)架方案進(jìn)行設(shè)計對比分析。

網(wǎng)格尺寸的確定：根據(jù)網(wǎng)格尺寸與跨度的經(jīng)濟(jì)比例(1/12～1/16)L2(L2為網(wǎng)架短向跨度)，并考慮屋面荷載與節(jié)點(diǎn)形式的影響。網(wǎng)格尺寸不宜過大，應(yīng)結(jié)合屋面板種類及材料荷載確定，并考慮支承點(diǎn)的布置尺寸，一般小型網(wǎng)架以不超過3 m為宜，否則桿件交匯的角度過小，施工困難。本例中按照3.0 m×2.67 m設(shè)計，這樣長度方向為12個網(wǎng)格，寬度方向為9個網(wǎng)格，標(biāo)準(zhǔn)斜桿的長度為2.7 m，空間夾角為57.7°。

網(wǎng)格高度的確定：高度與網(wǎng)架的跨度、荷載大小、節(jié)點(diǎn)形式、平面形狀、支承情況，以及排水坡度設(shè)置等因素有關(guān)。一般情況下可對于混凝土屋面高跨比取1/10～1/15，鋼檁條屋面高跨比取1/13～1/18。本工程A，B，C三種方案均按照網(wǎng)格厚度為1.9 m考慮，并增加一種按簡支梁彎矩圖形曲線擬合的上弦起坡的Aa方案，端部網(wǎng)格厚度取最小值1.4 m，跨中網(wǎng)格厚度取最大值2.4 m。

結(jié)構(gòu)分析參數(shù)如下：

1)材料：所有鋼管、支座及節(jié)點(diǎn)板均采用Q235B鋼。桿件最小截面為φ48×3.5。連接節(jié)點(diǎn)采用螺栓球節(jié)點(diǎn)。

2)強(qiáng)度控制：設(shè)計應(yīng)力及允許長細(xì)比：

f=0.95×215=204 N/mm2(Q235B)，最大應(yīng)力比不大于0.95。

[λ]壓=180；[λ]拉=200，對于低應(yīng)力小規(guī)格的受拉桿件按受壓桿件控制長細(xì)比。

3)撓度控制：按照規(guī)范《空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，主體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度控制在L/250。

4)構(gòu)件計算長度系數(shù)：采用螺栓球節(jié)點(diǎn)，長度系數(shù)均取1.0。

2.2.2 建立模型

模型的建立有多種方式。對于較為規(guī)整的結(jié)構(gòu)，可直接在計算程序輔助建模中生成分析模型。對于下部支撐結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，或者平面造型變化的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建議利用AutoCAD強(qiáng)大的三維功能，進(jìn)行手工建模。本工程三種不同體系，四種方案的模型平、立面布置圖如圖2～圖6所示。

2.2.3 設(shè)計荷載與有關(guān)參數(shù)

本工程設(shè)計使用年限為50年，荷載取值按50年一遇考慮。

1)恒荷載。

上弦層：本工程屋面板采用鋼桁架輕型復(fù)合板，上部做卷材防水層及水泥砂漿找平層，取均布荷載為2.5 kN/m2。

下弦層：燈具及管道吊掛荷載假定為均布荷載0.2 kN/m2。

網(wǎng)架自重：程序自動生成，螺栓球自重按構(gòu)件自重的30%考慮。

2)活荷載。

上弦層：非上人屋面均布活荷載0.5 kN/m2(本地區(qū)屋面雪荷載為0.30 kN/m2。與活荷載不同時，考慮取大值)。

3)風(fēng)荷載。

基本風(fēng)壓按本地區(qū)考慮為0.45 kN/m2。地面粗糙度為B類，風(fēng)壓高度系數(shù)取網(wǎng)架頂面高度位置，為μz=1.13。風(fēng)荷載體型統(tǒng)一取μs=Rc=-1.2。風(fēng)振系數(shù)由程序自動計算，取1.37。

4)溫度差。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，保守考慮施工與使用階段±30 ℃的溫度變化。

5)地震作用。

本地區(qū)為6度設(shè)防區(qū)域，對于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架可不進(jìn)行豎向與水平地震作用的計算。

6)荷載組合。

計算中考慮恒荷載的有利作用，并按下列荷載工況進(jìn)行組合：

組合1:1.35×恒荷載+1.4×0.7×活荷載。

組合2:1.2×恒荷載+1.4×活荷載。

組合3：1.2×恒荷載+1.4×溫度作用1(+30)。

組合4：1.2×恒荷載+1.4×溫度作用2(-30)。

組合5：1.2×恒荷載+1.4×活荷載+0.84×溫度作用1(+30)。

組合6：1.2×恒荷載+1.4×活荷載+0.84×溫度作用2(-30)。

組合7：1.2×恒荷載+1.4×活荷載+1.4×0.6×風(fēng)荷載。

組合8：0.9×恒荷載+1.4×風(fēng)荷載。

組合9：0.9×恒荷載+1.4×風(fēng)荷載+0.84×溫度作用1(+30)。

組合10：0.9×恒荷載+1.4×風(fēng)荷載+0.84×溫度作用2(-30)。

7)支座假定。

在一般的支座設(shè)計中，常用的包括：固定鉸支座，單向滑動鉸支座，雙向滑動鉸支座，彈性支座以及橡膠支座等。支座的假定需要根據(jù)下部支承結(jié)構(gòu)的剛度條件進(jìn)行判斷，或者對下部支承部分的剛度進(jìn)行計算并輸入支座的剛度值，或者假定幾種不同剛度的彈性約束方式，并在每種剛度下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果來考察支座對結(jié)構(gòu)性能的影響，從而對支承部分的剛度提出限定的要求。本工程考慮柱頂連系梁的作用，四邊采用單向滑動支座，四角采用固定鉸支座進(jìn)行設(shè)計。

8)設(shè)計規(guī)范。

按照現(xiàn)行JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計。

9)計算分析及設(shè)計軟件較為通用的包括MSTCAD，3D3S，SFCAD等，各軟件的操作步驟均按照建?！鷧?shù)設(shè)置→荷載布置→結(jié)構(gòu)分析→構(gòu)件設(shè)計與優(yōu)化→施工圖生成的標(biāo)準(zhǔn)順序。本工程采用3D3S進(jìn)行結(jié)構(gòu)的輔助建模分析與設(shè)計出圖。過程從略。

2.3 設(shè)計結(jié)果對比分析

各方案經(jīng)設(shè)計與方案優(yōu)化后，結(jié)果各項數(shù)值如表1所示。

表1 矩形網(wǎng)架方案設(shè)計結(jié)果對比表

1)對于邊長比為1.5的小型矩形截面，雙向傳力路徑長度不再均勻一致，傳力過程與正方形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式有所區(qū)別，主體結(jié)構(gòu)材料用量與撓度的差別已經(jīng)不再明顯。

2)從構(gòu)件長度與數(shù)量來看，棋盤型四角錐與正放抽空四角錐網(wǎng)架仍然具有較明顯的優(yōu)勢，構(gòu)件制作、運(yùn)輸、拼裝與吊裝以及后期的維護(hù)費(fèi)用相對較為有利。但由于構(gòu)件尺寸較大，因構(gòu)造要求螺栓球型號也變大，輔材用鋼量反而起控制作用。

3)正常情況下，構(gòu)件的規(guī)格級差與種類數(shù)量的因素，也是實(shí)際工程中不可忽視的問題。在軟件設(shè)計優(yōu)化中，采用到的規(guī)格相對較多，但工程設(shè)計中對于個別零星的構(gòu)件仍然需要進(jìn)行手工并歸，對總體耗鋼量也有明顯的增加，在設(shè)計階段也應(yīng)綜合考慮。

3 結(jié)語

通過對風(fēng)雨操場屋面網(wǎng)架的實(shí)際案例方案的探討，對中小型周邊支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中幾種常用的布置形式與設(shè)計過程進(jìn)行了論述，并對設(shè)計結(jié)果中影響最終造價的內(nèi)容項進(jìn)行了對比分析。設(shè)計人員可以根據(jù)具體情況在設(shè)計過程中予以綜合考慮，也有必要進(jìn)行深入的研究。

[1] JGJ 7—2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].

[2] 趙鵬飛.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程理解與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 董石麟，羅堯治，趙 陽.新型空間分析、設(shè)計與施工[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4] 杜文峰.網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)例與解析[M].北京：中國電力出版社,2012.

On type selection and optimal design for rack roofing of stormproof playground

Xu Liangjie

(JinanPlanningandDesignInstitute,Jinan250101,China)

According to the comparison and analysis of some schemes in the cases of the rack roofing of stormproof playground, the paper points out some suggestions for the type selection and design process of common middle and small rectangular roof structures, and indicates the respective methods and design process can be adopted in the type selection and design process of the rack.

roof of stormproof playground, rectangular rack, pyramid space truss

2015-04-26

徐梁杰(1982- )，男，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

1009-6825(2015)19-0027-03

TU318

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