大跨度四坡水方型鋼管正交斜放空腹網(wǎng)架研究與應(yīng)用

代陽光 馬克儉

摘 要：大跨度四坡水方型鋼管正交斜放空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系是馬克儉教授所提出來的一種新型鋼空腹網(wǎng)架。它是由具有斜度的方鋼管上弦與水平下弦通過方鋼管豎桿組成鋼空腹桁架，兩兩正交斜放，所組成的矩形平面（Lx/Ly≥1.5）四坡水鋼空腹網(wǎng)架。研究表明這種新型空間屋蓋受力合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，可以為相關(guān)工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼空腹網(wǎng)架;鋼空腹夾層板;正交斜放;大跨度

現(xiàn)如今隨著科技的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，各行各業(yè)都發(fā)生了天翻地覆的變化，建筑行業(yè)也不例外。近年來，大跨度建筑的穩(wěn)定發(fā)展，雖然帶來了很高的經(jīng)濟(jì)效益，但是仍然有很多建筑結(jié)構(gòu)存在諸多的不足，比如：“安全、環(huán)保、和空間合理利用”等方面。為了滿足大跨度發(fā)展的更高要求，馬克儉院士提出了一種新型的空間結(jié)構(gòu)體系，即大跨度四坡水方型鋼管正交斜放空腹網(wǎng)架，用來滿足大跨度屋蓋更柔、更輕、阻尼更小的要求。該結(jié)構(gòu)是一種新型的空間結(jié)構(gòu)體系。本文將依據(jù)研究背景、結(jié)構(gòu)種類特點、工程應(yīng)用以及發(fā)展優(yōu)勢幾方面來對此新型結(jié)構(gòu)展開論述。

1研究背景

20世紀(jì)70年代末期，被稱為“CUBIC Space Frame”的空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系是由英國結(jié)構(gòu)工程師Leszek和他的兒子Leslie共同研發(fā)的。即我們常說的鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系中不含斜腹桿，主要靠框架作用來抵抗荷載。因其是裝配式結(jié)構(gòu)，可以提前在工廠加工制作，在工地進(jìn)行裝配，使用起來及其便捷。最早采用“CUBIC Space Frame”結(jié)構(gòu)體系的工程是1979年英國特倫特工業(yè)大學(xué)平面尺寸為12m×20m的排演廳屋蓋。隨后這種“CUBIC Space Frame”也應(yīng)用于英國的另一大跨度結(jié)構(gòu)—斯坦斯特機(jī)場FFV飛機(jī)庫，該飛機(jī)庫為其對角線跨度分別為170.256m和98.034m的菱形平面結(jié)構(gòu)，空腹網(wǎng)架高度為4m。這兩個工程實例不僅將鋼空腹網(wǎng)架由理論變?yōu)閷嵺`，而且也體現(xiàn)了鋼空腹網(wǎng)架在大跨度結(jié)構(gòu)體系中的優(yōu)越性。國內(nèi)，1984年馬克儉教授以及其團(tuán)隊經(jīng)過大量的研究與試驗，首次提出“鋼筋混凝土空腹網(wǎng)架屋蓋和樓蓋結(jié)構(gòu)”，并于次年將理論運(yùn)用于實踐中，建造了“貴州省工人療養(yǎng)院食堂”。此工程面積雖小，平面尺寸只有11m×22m，但是其結(jié)構(gòu)功能既可以當(dāng)屋蓋，也可以當(dāng)樓蓋。而且在1985年得到了中國土木工程學(xué)會空間結(jié)構(gòu)委員會的認(rèn)可后，這種空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在“貴州安順體育訓(xùn)練館”又得以應(yīng)用。結(jié)構(gòu)平面尺寸（圖1a）為42m×24m，采用正交斜放的網(wǎng)格形式（圖1b）。空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)又一次取得良好的工程實踐效果，大大推進(jìn)了空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。

已申報專利的“大跨度四坡水方型鋼管正交正放空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)”，解決多、高層商場與寫字樓建筑采用混凝土或鋼框架結(jié)構(gòu)，將項目中框架柱抽去形成大跨度大面積的四坡水屋蓋結(jié)構(gòu)難題，此類鋼空腹網(wǎng)架，是正交的空腹桁架，沿方形或矩形（Lx/Ly<1.5）平面，長邊（Lx）與短邊（跨度Ly）平行布置使屋蓋結(jié)構(gòu)形成“雙向板”的力學(xué)模型。x和y向空腹桁架受力均勻，節(jié)約用鋼量，如長邊（Lx）與短邊（Ly）之比Lx/Ly<1.5時，長向傳遞荷載40%，短向60%，故正交正放空腹網(wǎng)架，方形平面受力最均勻（各0.5q），當(dāng)矩形平面大跨度空腹網(wǎng)架長短邊之比（Lx/Ly>1.5）時，兩個方向空腹桁架受力極不均勻，如Lx/Ly=2時，（Lx=60m，Ly=30m）長向空腹桁架傳遞屋面荷載（q）0.125q，跨度方向承擔(dān)0.875q，如同混凝土單向板力學(xué)模型受力極不均勻，浪費(fèi)鋼材30%以上，為了屋蓋結(jié)構(gòu)受力合理，節(jié)約大量鋼材，當(dāng)屋蓋矩形平面的長短邊之比Lx/Ly≥1.5后，采用“大跨度四坡水方型鋼管正交斜放鋼空腹網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)”;目前尚未對該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本文首次對該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，旨在為以后相關(guān)的研究和設(shè)計提供理論參考。

2結(jié)構(gòu)種類特點

2.1空腹網(wǎng)架種類

在我國，空腹網(wǎng)架的重要種類有四種，其是按照空腹桁架的交叉方式來分類的：兩向正交正放、兩向正交斜放、兩向斜交斜放和三向網(wǎng)架。同時，空腹網(wǎng)架按照材料又可以分為鋼空腹網(wǎng)架和鋼筋混凝土空腹網(wǎng)架。

2.2空腹網(wǎng)架特點

（1）空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為高次超靜定結(jié)構(gòu)，具有良好的力學(xué)性能和更高的安全儲備。其多向受力，能有效地承受集中荷載和非對稱荷載的作用，也能承受豎向和水平方向上的地震作用。

（2）空腹網(wǎng)架的空間受力性能和內(nèi)力重分布性能好。即使地基不均勻沉降、結(jié)構(gòu)局部損壞都不會引起整個結(jié)構(gòu)的破壞，因而有利于修補(bǔ)。

（3）空腹網(wǎng)架屬于空間鋼架體系，桿件內(nèi)力較為復(fù)雜，有彎矩、剪力、軸向拉力、軸向壓力和扭矩，計算起來比較繁瑣。一般情況下，上弦桿承受壓力、彎矩和剪力的共同作用;下弦桿承受拉力、彎矩和剪力的共同作用，豎桿為雙向偏心受壓和雙向偏心受拉?？崭咕W(wǎng)架邊部承受較大的彎矩和剪力，中間桿件承受較小的彎矩和剪力;而承受的軸力作用則相反，邊部承受較小的軸力，中間桿件承受較大的軸力。

（4）空腹網(wǎng)架的計算中一定不能忽略剪切變形的影響?？斩染W(wǎng)架的折算抗彎剛度中的折算慣性矩，只反映了上弦桿和下弦桿的截面幾何特征。但空腹網(wǎng)架的折算抗剪剛度不僅反映了上弦桿和下弦桿的剛度，也反映了其豎桿的剛度。在抗剪剛度中，豎桿的長度和截面幾何特征起著至關(guān)重要的作用。在撓度計算中，剪切變形對網(wǎng)架的撓度影響較大，若忽略抗剪剛度，則會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)重大誤差。

3工程應(yīng)用

圖2為多、高層商場、寫字樓建筑框架結(jié)構(gòu)頂層結(jié)構(gòu)布置圖，框架柱網(wǎng)L1=10.8m，除了框架梁外，還有平行長邊間距3.6m的次梁，到頂層后。中間8根柱不再伸出，形成Lx×Ly=54m×32.4m=1750m2的建筑面積。

大面積矩形平面樓蓋作公共建筑的使用，由于其長短邊之比Lx/Ly=1.67>1.5，其力學(xué)模型為單向板，再作正交正放網(wǎng)格空腹網(wǎng)架，其長向空腹桁架承載力0.21q，跨度方向0.79q，受力相差4倍，造成空腹網(wǎng)架受力不均勻，為此根據(jù)單向板的力學(xué)模型，將正交的鋼空腹桁架與支座邊斜放（45°）形成如圖3所示的大跨度矩形平面（Lx/Ly>1.5）四坡水方型鋼管空腹網(wǎng)架屋蓋，其屋面防水不再采用輕質(zhì)的彩鋼板，而采用現(xiàn)澆和裝配整體式的混凝土面板，大幅度提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全度，其外形如圖4所示的四坡水富有民族風(fēng)味的大跨度屋蓋。

從圖3正交斜放空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置圖可知，空腹網(wǎng)架是由如圖5a，5b，5cS-4、S-5、S-6所示簡圖，方鋼管空腹桁架正交斜放組成。

當(dāng)樓蓋矩形平面（Lx/Ly>1.5）后，再用正交正放空腹網(wǎng)架時，其x，y向配桿如圖6所示，每米兩向平均用鋼187.2kg/m，圖7正交斜放配桿每米兩向平均用鋼124.8kg/m，用鋼量節(jié)約1/3左右。

由于屋蓋結(jié)構(gòu)為四坡水，各桿件均為方鋼管，它的節(jié)點構(gòu)造不同于圓鋼管的管桁架需切弧焊接連接，圖8所示為方管空腹網(wǎng)架支座端上、下節(jié)點，其端部豎桿與下弦節(jié)點平焊與上弦節(jié)點切角（a1）焊，圖9為網(wǎng)架中間節(jié)點，豎桿與下弦節(jié)點仍為平焊連接，豎桿截面與上弦夾角a，需作具有a1角度的斜截面，在工業(yè)化、裝配化的今天，所有節(jié)點均在工廠車間加工成單元，現(xiàn)場采用可拆卸式“栓焊結(jié)合”方式連接形成整體。

4發(fā)展優(yōu)勢

該結(jié)構(gòu)為一種新型鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，它是由具有斜度的方鋼管上弦與水平下弦通過方鋼管豎桿組成鋼空腹桁架，兩兩正交斜放，所組成的矩形平面（Lx/Ly≥1.5）四坡水鋼空腹網(wǎng)架。其空間受力性能好，結(jié)構(gòu)安全可靠，外形獨(dú)特美觀，具有很好的市場應(yīng)用前景。

5結(jié)論

本文對新型鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）大跨度矩形平面四坡水鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，采用方型鋼管作空腹桁架，它們彼此正交斜放（45°）形成大跨度變剛度方形鋼管空腹網(wǎng)架屋蓋;

（2）大跨度矩形平面方鋼管四坡水空腹網(wǎng)架，它由多種上弦具有坡度的網(wǎng)格組成，其上弦斜面（a1）的正交斜放網(wǎng)格a2稍大于下弦水平網(wǎng)格a1;

（3）方形鋼管組成的四坡水正交斜放空腹網(wǎng)架，其上弦正交斜放網(wǎng)格與屋蓋坡度相同具有a1角度，即上弦網(wǎng)格（a1×a2）在斜面正交，下弦網(wǎng)格（a1×a1）在水平面內(nèi)正交;

（4）大跨度方形鋼管正交斜放空腹網(wǎng)架的方鋼管豎桿是保證空腹網(wǎng)架整體工作的主要受力構(gòu)件，其豎桿高度隨屋蓋的坡度而變化，即中間高向周邊逐漸減短，但支座處仍必須設(shè)置豎桿，其高度由計算確定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬克儉，張華剛，鄭濤.新型建筑空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論與實踐[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 董石麟，馬克儉. 組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1992.

[3] 沈祖炎，馬克儉.空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[M].貴陽：貴州人民出版社，1987.

[4] 馬克儉，董石麟，韋明輝，左明光.鋼筋混凝土網(wǎng)架的發(fā)展與應(yīng)用[C].第六屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集.1992：715-723.

[5] 董石麟，羅堯治，趙陽.大跨度空間結(jié)構(gòu)的工程實踐與學(xué)科發(fā)展[C].第十一屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集，2005：1-11.

[6] 馬克儉，張華剛，肖建春，盧亞琴，柏川.鋼筋混凝土空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2008.S1：239-245.

[7] 張瑞鵬.大跨度空腹網(wǎng)架與空腹夾層板樓蓋結(jié)構(gòu)體系的研究與對比[D].貴州大學(xué)，2016.

[8] 張華剛，黃勇，馬克儉.鋼空腹夾層板在建筑樓蓋改造中的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003（04）：83-87.