試論鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及其優(yōu)化措施

賽福鼎·乃吉木

摘 要：建筑業(yè)不斷發(fā)展，使各項技術(shù)得到推廣與應(yīng)用，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)覆蓋跨度較大、受力合理，更加符合人們對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平高層次的需求，建筑穩(wěn)定性強(qiáng)的同時，外形也變得更加美觀實用，良好的技術(shù)能夠從全方面提升建筑品質(zhì)，使建筑物綜合性價比更高。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的推廣與應(yīng)用，能夠從技術(shù)層面給設(shè)計師提供豐富的創(chuàng)作自由，而且其整體較小構(gòu)件還可進(jìn)行工廠的提前預(yù)制，大大減少了工期，節(jié)省了預(yù)算投資，經(jīng)濟(jì)合理，受到施工單位歡迎，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計在我國當(dāng)前建筑工程中有著非常廣泛的應(yīng)用。文章主要通過對鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的分析，進(jìn)一步提出優(yōu)化措施，以此促進(jìn)我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平發(fā)展。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；節(jié)點；桿件；優(yōu)化

1 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選型

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要進(jìn)行科學(xué)的選型，才能確認(rèn)整體結(jié)構(gòu)。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)，一定要全面考慮到整體結(jié)構(gòu)在力學(xué)上的問題，確保結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足受力需要，對外部壓力、受力方向要嚴(yán)格遵守設(shè)計要點，保證在受到任何外力作用下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均穩(wěn)定平衡，不發(fā)生變形問題，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的安全性。要想從根本上確保網(wǎng)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，就需要按使用功能，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)做好科學(xué)的選型，良好科學(xué)的選型結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)，所以要根據(jù)實際情況確定選型，保證安全穩(wěn)定。選型時，一要全面考慮幾何問題，因為結(jié)構(gòu)幾何不確定則會出現(xiàn)更多的可變量，影響到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在實際施工過程中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)樣式非常多，要根據(jù)使用功能、所處區(qū)域特征做好選型，在具體選擇時，要看建筑平面、尺寸、荷載、網(wǎng)架、安裝及成本，做好全面選擇，以經(jīng)濟(jì)性原則為出發(fā)點，從幾個設(shè)計方案中擇優(yōu)選擇一個設(shè)計思路。在選型時，要全方位考慮，一是看用鋼量多少，用鋼量是主要考慮的方向，要在經(jīng)濟(jì)性原則基礎(chǔ)上，確保用量最少，材料最少，平面比較接近正方形時，斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)合理，正放四角錐結(jié)構(gòu)僅次于斜放四角錐結(jié)構(gòu)；二是連接點差價，桿件與節(jié)點連接部位造價也要保證安全的前提下，成本最低；三是安裝費(fèi)用，各種材料運(yùn)輸和安裝費(fèi)用也關(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益，所以要綜合考慮各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通過實踐證明，選型最好的結(jié)構(gòu)是三角錐和四角錐，按這種幾何單元確定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，是施工中經(jīng)常用到的幾何單元形式，能夠保證各個結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)固，具有不變性的明顯特點。

2 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件設(shè)計

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計常用形式是鋼網(wǎng)架，Q235和Q345鋼材用量較大，相對其他鋼材而言，力學(xué)性能較好，性差比較高，同時，在進(jìn)行施工時，焊接性能也是最佳，穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高，在施工中能夠大面積使用與推廣。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件截面形式多種多樣，空腹載面呈現(xiàn)力較好，圓鋼管和方鋼管均有良好的性能，在慣性矩方面表現(xiàn)較強(qiáng)，能夠承受巨大的外力作用，而不出現(xiàn)變形?？崭菇孛婧附臃忾]后，內(nèi)部穩(wěn)定不易腐蝕，同時，在使用過程中，表面積水積灰現(xiàn)象也較少，施工中能夠大面積使用。

2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

節(jié)點構(gòu)造設(shè)計非常重要，直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，是鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計中最關(guān)鍵的部位，這主要是因為所有桿件均要通過節(jié)點，利用節(jié)點對各部位進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)中的節(jié)點受力最大，是傳遞荷載、承受作用力最大的關(guān)鍵部位，只有全面做好節(jié)點設(shè)計，才能確保結(jié)構(gòu)整體上的穩(wěn)定。節(jié)點設(shè)計非常重要，要全方位考慮應(yīng)力和傳力特性的問題，處理好受力承載點，要從結(jié)構(gòu)造型上充分考量，做好受力點的計算與選擇，使節(jié)點更加精準(zhǔn)可靠，保證受力均勻穩(wěn)定。在進(jìn)行設(shè)計選擇時，更要考慮到后期制作、安裝、施工和造價等因素，只有全面考慮才能保證工程整體的施工方案更加科學(xué)合理。從實際操作上看，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點主要由內(nèi)部節(jié)點和支座節(jié)點兩大類構(gòu)成，不論哪類設(shè)計，均要考慮到構(gòu)造受力傳力問題，確?？煽俊⒑唵?、方便。

2.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

我們進(jìn)行鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要注意幾個問題，特別是首先考慮好受力點是否合理，只有受力點合理科學(xué)，才能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠，各細(xì)節(jié)需要做好精算，符合工程造型特點，保證結(jié)構(gòu)美觀實用。要進(jìn)行設(shè)計時，根據(jù)建筑使用用途、功能等特征，結(jié)合實際造型方案，全面設(shè)計好各受力點，通過合理布置，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，確保方案可行；其次，要從安裝角度進(jìn)行考慮，設(shè)計美觀不等于安裝方便，所在設(shè)計時，還要考慮到工程進(jìn)度，確保受力合理的基礎(chǔ)上，考慮到安裝操作流程，為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供保障；最后是經(jīng)濟(jì)性，造價是工程避不開的問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計也要考慮到工程造價的問題，保證穩(wěn)定安全前提下，使工程投入最小化、最優(yōu)化。

2.4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)耐久性對策

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用材料為鋼材，鋼材易銹蝕，會大大降低桿件截面面積，影響網(wǎng)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。對環(huán)境潮濕的則會導(dǎo)致鋼網(wǎng)架銹蝕速度加快，縮短鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用壽命。主要方法如下，一是鋼材煉制增加合金元素，改變金屬結(jié)構(gòu)組織提高抗銹蝕能力；二是鋼材表面使用金屬鍍層；三是鋼材表面涂非金屬保護(hù)層，經(jīng)濟(jì)合理、效果良好。

3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的屋面排水

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一項較大的工程，整體建筑屋面面積較大，對這樣的層面需要做好科學(xué)統(tǒng)籌，保證屋面排水流暢，那么在進(jìn)行設(shè)計時，就需要全面考慮到使用的問題，不能出現(xiàn)積水影響工程質(zhì)量問題，網(wǎng)架屋面排水方式多種多樣。

3.1 網(wǎng)架變高度

要想保證結(jié)構(gòu)排水流暢，則需要通過計算來實現(xiàn)，一般情況下，網(wǎng)架跨中高度需要不斷增加，使上弦桿形成屋面排水坡度，下弦桿仍與地面平行，這種排水方式較為常用?？缰懈叨仍黾幽苁瓜覘U內(nèi)力降低，但上弦桿和腹桿種類增多，雖然制作和安裝困難，但這種做法能夠提高網(wǎng)架整體的抗震性能，增強(qiáng)穩(wěn)定性的同時，起到良好的排水效果。

3.2 整個網(wǎng)架起拱

這種方式排水效果較好，平方根是采用整個網(wǎng)架起拱的方式進(jìn)行處理，使屋面排水更加流暢快速。主要方法是使網(wǎng)架上、下弦桿仍保持平行，只將整個網(wǎng)架在跨中進(jìn)行有效抬高，使中間部分拱起，計算高度時，需要對起拱高度做好測算，一般需要根據(jù)屋面排水坡度確定，處理不好，起拱過高會對桿件內(nèi)力產(chǎn)生巨大影響，如果過低，則起不到良好的排水效果，采用這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)抗震性能好、整體穩(wěn)定性強(qiáng)。

3.3 上弦節(jié)點上設(shè)小立柱

這種方法也較為普遍，主要是在網(wǎng)架上弦節(jié)點上做一個小立柱，這樣就能形成排水坡，這種方法較為靈活，只要改變小立柱的高度和布置情況，就能夠形成雙坡、四坡或其他更復(fù)雜的多坡排水系統(tǒng)。如果網(wǎng)架跨度大，那么對小立柱高度的要求也越精細(xì)，如果處理不當(dāng)，則小立柱抗震性能就會變差。

4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計包括網(wǎng)架類型優(yōu)化、網(wǎng)架跨度優(yōu)化及網(wǎng)架高度優(yōu)化三種。不同網(wǎng)架類型對要件要求也不一樣，同樣下用鋼量也不同。用鋼量少的主要是正放四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、抽空四角錐網(wǎng)架和棋盤四角錐網(wǎng)架，這些結(jié)構(gòu)最為常用。網(wǎng)架跨度影響網(wǎng)架厚度和網(wǎng)格尺寸，進(jìn)行網(wǎng)架優(yōu)化設(shè)計需要準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法和系統(tǒng)迭代優(yōu)化設(shè)計方法等一系列方法，不同的方案使用不同的設(shè)計方法，但在全盤考慮到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，同時根據(jù)構(gòu)造經(jīng)驗對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，使設(shè)計更近實際。

5 結(jié)束語

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計在我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用比較廣泛，是綜合性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，進(jìn)行設(shè)計時，綜合考慮建筑使用用途、受力負(fù)荷及環(huán)境因素，制定最佳方案，才能促進(jìn)我國建筑結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展。

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