正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在大型鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)館中的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

毛增明

中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，如鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)跨度往往受到柱網(wǎng)間距的限制，同時(shí)，較大的混凝土結(jié)構(gòu)自重也對(duì)下部結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)提出了較高的承載力要求，對(duì)工程的整體設(shè)計(jì)較為不利。與此同時(shí)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因其自重輕、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)，在大跨度空間結(jié)構(gòu)形式選擇中得到了設(shè)計(jì)者們的青睞[1-2]。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日趨廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了較多的研究。計(jì)榮利等[3]依托某大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程，對(duì)大跨度的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在輔助支撐拆除時(shí)的桿件應(yīng)力情況進(jìn)行了研究，并分析了輔助支撐在拆除前與拆除后的安全性。傅水明[4]針對(duì)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的缺陷，如易銹蝕、變形等，認(rèn)為保持空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能長(zhǎng)期可靠、安全的必要措施之一，是定期對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的正常使用性鑒定。趙俊亮等[5]依托某大面積、大跨度的結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房施工實(shí)踐，對(duì)其支撐體系設(shè)置、整體提升、負(fù)載轉(zhuǎn)移、提升平臺(tái)設(shè)計(jì)、吊點(diǎn)設(shè)置等一系列的施工難點(diǎn)進(jìn)行了介紹，同時(shí)依靠有限元仿真的分析方法，達(dá)到了網(wǎng)架各吊點(diǎn)整體同步提升以及順利卸載落位的預(yù)期目標(biāo)。孫學(xué)根等[6]針對(duì)霍邱體育中心體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在卸載過(guò)程中的難點(diǎn)，提出了一種針對(duì)支撐卸載的較為實(shí)用的方法，且通過(guò)有限元法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了卸載時(shí)的關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力與結(jié)構(gòu)位移，并進(jìn)一步探討了該大跨度屋面鋼結(jié)構(gòu)在卸載時(shí)的可行性以及安全性。

目前，行業(yè)中關(guān)于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究較多，但是對(duì)大跨度的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工分析的相關(guān)研究較少。因此，本文以某具體工程實(shí)例為基礎(chǔ)，從變形性能、受力性能、控制組合工況以及經(jīng)濟(jì)性等出發(fā)，詳細(xì)介紹了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。

1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般為高次超靜定結(jié)構(gòu)，且三維受力，其是由若干桿件遵循一定的規(guī)則連接而成的網(wǎng)狀空間桿系結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，桿件于空間相互交會(huì)，既是受力桿件，又互為支撐，協(xié)同工作。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)占用的空間較小，而可利用的空間較大，各種管道線(xiàn)路等均可在網(wǎng)架上下弦之間布置，從而實(shí)現(xiàn)了以較小規(guī)格的桿件束來(lái)建造大跨度結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

當(dāng)下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展速度很快，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用范圍日趨廣泛，其原因有如下幾點(diǎn)：

1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，能以較少的用鋼量形成較大的跨度，同時(shí)網(wǎng)架空間為三向受力，較為合理。

2）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可由工廠(chǎng)預(yù)先制作加工，現(xiàn)場(chǎng)組拼后提升施工，裝配化程度高，能縮短工期，具有較好的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益。

3）對(duì)于各種跨度的公共建筑、廠(chǎng)房建筑等，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均能適用，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)師針對(duì)施工工藝或者是建筑功能的各種需求。

4）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造型美觀(guān)，在外形、建筑平面以及空間表觀(guān)等方面，都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作需求，設(shè)計(jì)自由度較大。

2 應(yīng)用工程概況

某水上藝術(shù)中心項(xiàng)目包含藝術(shù)交流、接待、藝術(shù)創(chuàng)造、藝術(shù)展示等功能，坐落在安順市開(kāi)發(fā)區(qū)婁家湖旁，工程類(lèi)別為公共建筑，基建面積23 616 m2，建筑面積5 469.2 m2，由7個(gè)館構(gòu)成，如圖1所示。其中3個(gè)館坐落于湖內(nèi)，結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)，建筑防火等級(jí)為一級(jí)，建筑等級(jí)為一級(jí)，建筑層數(shù)2層（局部1層）。

圖1 水上藝術(shù)中心整體效果圖

在7個(gè)鋼結(jié)構(gòu)場(chǎng)館中，為滿(mǎn)足建筑使用空間的需要，1#—6#館屋面網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式均為正放四角錐網(wǎng)架，7#館為1層鋼框架結(jié)構(gòu)。1#—6#館采用螺栓球節(jié)點(diǎn)連接，周邊支承于鋼柱頂端，下弦支撐；地震烈度為6度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震組別為第一組，場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。

3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

本文以1#館展廳的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架設(shè)計(jì)為例。該1#館網(wǎng)架平面長(zhǎng)度約為42.6 m，寬度約為29.4 m，長(zhǎng)寬比小于1.5，該展廳屋面網(wǎng)架的設(shè)計(jì)立面如圖2所示。

圖2 1#館展廳立面設(shè)計(jì)示意

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 7—1991《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》的有關(guān)建議，網(wǎng)架形式可供選擇的有正放抽空四角錐網(wǎng)架、斜放四角錐網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架、棋盤(pán)形四角錐網(wǎng)架、正放四角錐網(wǎng)架和兩向正交正放網(wǎng)架。

綜合對(duì)比分析各網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，正放四角錐網(wǎng)架造型簡(jiǎn)潔，用鋼量最省，節(jié)點(diǎn)數(shù)量與桿件的數(shù)量均最少，同時(shí)，該結(jié)構(gòu)形式也便于屋面的排水處理，也即天窗的設(shè)置。另外，從結(jié)構(gòu)剛度、網(wǎng)架整體的受力性能來(lái)看，相比其他網(wǎng)架形式，正放四角錐網(wǎng)架的上述性能都更好，延性也較好，且受力均勻，因此，本工程擬采用正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

1）設(shè)計(jì)荷載。本工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載均按GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)定》以及JGJ 7—1991《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定取值。在具體建模實(shí)施時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮恒荷載（包括上弦恒荷載與下弦恒荷載）、活荷載、溫度荷載以及風(fēng)荷載等相關(guān)荷載類(lèi)型。

2）荷載組合。本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在建模計(jì)算時(shí)，針對(duì)實(shí)際情況，荷載工況組合時(shí)主要考慮的因素有恒荷載、活荷載和風(fēng)荷載。建模之后，應(yīng)當(dāng)分析比較各荷載工況組合下所產(chǎn)生內(nèi)力和位移的大小，從中找出最不利工況組合，驗(yàn)算其安全性。

3）網(wǎng)架自重。在建模時(shí)，網(wǎng)架自重可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)形成，對(duì)于螺栓球節(jié)點(diǎn)的形式，可按網(wǎng)架自重的20%來(lái)計(jì)算，而對(duì)于焊接空心球節(jié)點(diǎn)形式，其可按網(wǎng)架自重的30%來(lái)計(jì)算。

4）支座假定。在本工程支座節(jié)點(diǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于設(shè)計(jì)采用的平板支座形式的角位移受到了約束，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，可在支座底板上開(kāi)設(shè)橢圓螺栓孔。故而，該網(wǎng)架在克服支座的摩擦力后，可以在水平方向上產(chǎn)生相應(yīng)位移。對(duì)于本工程，支座的邊界條件可近似假定為彈性支座。

3.3 材料選型規(guī)定

按設(shè)計(jì)文件要求，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本工程的材料選型如下：

1）鋼管所用材質(zhì)為高頻焊接鋼管或無(wú)縫鋼管，型號(hào)為Q235B鋼材。

2）螺栓球節(jié)點(diǎn)采用的材質(zhì)為GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中的45號(hào)鋼。

3）螺栓、螺釘所用材質(zhì)為40Cr鋼。

4）封板、錐頭所用材質(zhì)為Q235鋼，鋼管直徑大于75 mm時(shí)須采用錐頭。

5）焊接時(shí)，Q235鋼材與Q235鋼材之間所用材質(zhì)為E43系列焊條，Q235鋼材與Q345鋼材之間所用材質(zhì)為E50系列焊條。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

由前文可知，對(duì)于正放四角錐網(wǎng)架的設(shè)計(jì)形式，可適當(dāng)考慮抽空形式，因此，本工程對(duì)比分析了正放抽空四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)這2種模型（圖3、圖4）的受力性能，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。在實(shí)際建模過(guò)程中，于正放四角錐網(wǎng)架模型的基礎(chǔ)上，在局部位置抽空網(wǎng)架中部規(guī)則的四角錐，即形成抽空四角錐網(wǎng)架。為更好地進(jìn)行對(duì)比分析，其他計(jì)算參數(shù)在建模時(shí)均保持一致。

圖3 正放四角錐網(wǎng)架

圖4 正放抽空四角錐網(wǎng)架

應(yīng)當(dāng)注意的是，在對(duì)四角錐網(wǎng)架進(jìn)行抽空試算時(shí)，應(yīng)避免使形成的抽空四角錐網(wǎng)架成為幾何可變體系，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是高次超靜定結(jié)構(gòu)，幾何可變形式在工程實(shí)際中是絕對(duì)不允許的。同時(shí)，在實(shí)際建模時(shí)，還分別采用了螺栓球節(jié)點(diǎn)和焊接空心球節(jié)點(diǎn)對(duì)以上2種網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計(jì)算，即一共建立4種模型進(jìn)行對(duì)比分析，分別是螺栓球節(jié)點(diǎn)的正放四角錐網(wǎng)架、焊接空心球節(jié)點(diǎn)的正放四角錐網(wǎng)架、螺栓球節(jié)點(diǎn)的正放抽空四角錐網(wǎng)架、焊接空心球節(jié)點(diǎn)的正放抽空四角錐網(wǎng)架。通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析螺栓球節(jié)點(diǎn)和焊接空心球節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)架受力性能與變形性能。

按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，綜合該工程的實(shí)際場(chǎng)地特征，本文考慮了恒荷載、活荷載和風(fēng)荷載3種荷載形式的共16種組合工況。在組合工況中，在整體上，恒荷載與活荷載以均布方式加載，接著將荷載均勻分配至四角錐的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上，最后將分配到四角錐各個(gè)節(jié)點(diǎn)的力疊加起來(lái)，即為最后的各節(jié)點(diǎn)荷載；在不同區(qū)域，風(fēng)荷載則采取分別加正負(fù)荷載的方式，其加載形式與前相同。

本文應(yīng)用MST2008分析程序，對(duì)4個(gè)網(wǎng)架模型分別進(jìn)行滿(mǎn)應(yīng)力分析，從而得到各節(jié)點(diǎn)位移、各桿件內(nèi)力以及桿件用鋼量等計(jì)算結(jié)果。

對(duì)各模型的相應(yīng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下幾個(gè)結(jié)論：1）對(duì)于網(wǎng)架的受力性能，節(jié)點(diǎn)形式對(duì)其的影響較小。2）在受力性能與剛度方面，正放四角錐網(wǎng)架比正放抽空四角錐網(wǎng)架更好。

3）對(duì)比正放四角錐網(wǎng)架和正放抽空四角錐網(wǎng)架，采用正放抽空四角錐網(wǎng)架之后，因部分四角錐被拿出，故網(wǎng)架的桿件質(zhì)量有所減少，但本工程整體質(zhì)量減少不多，因此經(jīng)濟(jì)方面的改善并不明顯。

綜上所述，抽空四角錐網(wǎng)架的計(jì)算方法較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程中要通過(guò)不斷地試算，避免使結(jié)構(gòu)變成幾何可變體系，不符合設(shè)計(jì)要求。

抽空四角錐網(wǎng)架的試算環(huán)節(jié)增加了設(shè)計(jì)工作量，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率的提高非常不利。同時(shí)，正放抽空四角錐網(wǎng)架存在較多缺陷，如剛度較小、結(jié)構(gòu)桿件受力不均等，該結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)桿件也較為復(fù)雜，截面類(lèi)型較多，這對(duì)后期制作與施工等非常不利。另外，在經(jīng)濟(jì)性方面，抽空四角錐網(wǎng)架相對(duì)四角錐網(wǎng)架并沒(méi)有提高很大的幅度。因此，對(duì)于本工程大中跨度的網(wǎng)架來(lái)說(shuō)，抽空四角錐網(wǎng)架是不宜采用的。

3.5 控制工況比較

本工程對(duì)上述4個(gè)模型在各種工況組合下的桿件最大內(nèi)力和位移進(jìn)行了相應(yīng)比較，以考察桿件截面由哪種工況組合控制。比較時(shí)應(yīng)全面、細(xì)致，綜合考慮，從而找出結(jié)構(gòu)工況的最不利組合。

經(jīng)上述分析，本工程最終選擇了螺栓球節(jié)點(diǎn)的正放四角錐網(wǎng)架，從而實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性的雙重效益。

4 關(guān)鍵施工要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)選型、桿件設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，而結(jié)構(gòu)施工則是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)想和優(yōu)雅外觀(guān)的最重要的環(huán)節(jié)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在安裝施工時(shí)，必須充分考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)吊裝工況、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等，使之滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與規(guī)范的要求。

目前，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝方法有高空散裝法、分條或分塊安裝法、整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法、多機(jī)抬吊法、高空散裝法和分段吊裝法等。本工程結(jié)合實(shí)際情況和項(xiàng)目特點(diǎn)，采用了起步跨網(wǎng)架整體吊裝后，再高空散裝后續(xù)桿件的方法，既保證了施工質(zhì)量，又提高了施工工效，節(jié)約了施工成本。

本工程采用正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，具有建設(shè)周期短、任務(wù)量大、專(zhuān)業(yè)工程多等特點(diǎn)。因此，必須在公司的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮下，集中優(yōu)勢(shì)力量，將先進(jìn)的施工技術(shù)應(yīng)用至現(xiàn)場(chǎng)，優(yōu)質(zhì)、高效、低成本地完成本工程。為此，本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝遵循以下原則和規(guī)定：

1）臨時(shí)支撐的拆除實(shí)際是施工荷載轉(zhuǎn)移的過(guò)程，在荷載轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，必須遵循“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則。在卸載時(shí)如不符合要求，則有可能造成臨時(shí)支撐的超載或失穩(wěn)等，從而導(dǎo)致網(wǎng)架結(jié)構(gòu)局部坍塌甚至整體受損。

2）根據(jù)“變形協(xié)調(diào)、卸載均衡”的原則，在臨時(shí)支撐拆除時(shí)，為保證安全，應(yīng)通過(guò)放置在支架上的可調(diào)節(jié)點(diǎn)支承裝置，例如柱帽或千斤頂?shù)仍O(shè)備，采用多次循環(huán)、微量下降的方式，以實(shí)現(xiàn)荷載的平衡轉(zhuǎn)移，本工程網(wǎng)架卸載的順序?yàn)椋河芍虚g向四周，以中心對(duì)稱(chēng)的方式進(jìn)行。

3）在正放四角錐網(wǎng)架拼裝完成后，應(yīng)及時(shí)拆除支架（即臨時(shí)支承點(diǎn)），從而使網(wǎng)架由臨時(shí)支承狀態(tài)平穩(wěn)地過(guò)渡到設(shè)計(jì)永久支座的狀態(tài)，此過(guò)程也即網(wǎng)架落位的過(guò)程。網(wǎng)架落位的過(guò)程實(shí)際是使屋蓋網(wǎng)架緩慢協(xié)同作用，并達(dá)到空間受力效果的一個(gè)過(guò)程。在該過(guò)程中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的內(nèi)力重分布現(xiàn)象，并由臨時(shí)支承狀態(tài)逐步過(guò)渡到設(shè)計(jì)狀態(tài)。由此可知，網(wǎng)架的落位工序非常重要，施工前應(yīng)采取合理的落位順序和相應(yīng)的落位措施，從而確保網(wǎng)架落位過(guò)程的安全。

4）網(wǎng)架落位后，應(yīng)當(dāng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)架的整體安裝精度進(jìn)行檢測(cè)，包括各支座的位置尺寸、高程以及偏差，若有偏差應(yīng)當(dāng)及時(shí)調(diào)整，并將尚未固定的支座固定好，至此即完成了該工程正放四角錐網(wǎng)架的安裝施工。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，較為全面地介紹了正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，針對(duì)項(xiàng)目采取的起步跨先整體吊裝，再高空散拼后續(xù)桿件的施工工藝，明確了網(wǎng)架安裝時(shí)的重要注意事項(xiàng)。未來(lái)，大空間結(jié)構(gòu)形式的建筑將越來(lái)越多，而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式也將進(jìn)一步得到發(fā)展。正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)靈活、造型大方、經(jīng)濟(jì)合理，本文所介紹的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)可為今后類(lèi)似的大跨度結(jié)構(gòu)形式的項(xiàng)目提供參考。