淺談我國(guó)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

戴素娟 李文宇 李 鋒 解淇鵬 王貝貝

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266590）

淺談我國(guó)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

戴素娟 李文宇 李 鋒 解淇鵬 王貝貝

（山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266590）

主要介紹了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)，著重闡述了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展趨勢(shì)，指明了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究方向，對(duì)我國(guó)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)人員、施工技術(shù)人員具有一定的指導(dǎo)作用。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；主要特點(diǎn)；發(fā)展趨勢(shì)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)又稱平板型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，是以多根桿件按照一定的規(guī)律組合而成的網(wǎng)格狀高次超靜定空間桿系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要有平面桁架系網(wǎng)架、四角錐體系網(wǎng)架和三角錐網(wǎng)架三大類，又可分為13種具體的網(wǎng)架形式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件是桿件，但桿件節(jié)點(diǎn)同樣十分重要，它起著連接匯交桿件，傳遞屋面荷載和吊車荷載的作用，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的桿件數(shù)，少則有6根，多的可達(dá)13根，節(jié)點(diǎn)的用鋼量約占整個(gè)網(wǎng)架用鋼量的1/5～1/4,因此，合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)架設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，常用的節(jié)點(diǎn)主要有焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)和焊接鋼板節(jié)點(diǎn)。

1.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

（1） 可實(shí)現(xiàn)的跨度大。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是三維受力的空間桁架結(jié)構(gòu)，空間交匯的桿件互為支承，將受力桿件與支承系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，比單向受力的平面桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用的跨度更大，跨度一般可達(dá)120m，甚至更大。

（2） 經(jīng)濟(jì)安全可靠。由于網(wǎng)架的整體空間作用，剛度大、穩(wěn)定性好，對(duì)局部結(jié)構(gòu)的制造缺陷不很敏感，具備各向受力性能，因而應(yīng)力分布均勻，用料經(jīng)濟(jì)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備很大。

（3） 抗震性能很好。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的剛度和整體性較好，因而抗震性能好。這一點(diǎn)，已被國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐所證實(shí)。

（4） 適應(yīng)性強(qiáng)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同支承條件的各類建筑，在平面在形狀上也能適應(yīng)正方形、矩形、多邊形、圓形、扇形、三角形以及由此組合而成的各種平面形狀。另外，網(wǎng)架的網(wǎng)絡(luò)形式也為屋面設(shè)計(jì)和內(nèi)部裝飾提供了方便。

（5） 制作、安裝方便。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件和節(jié)點(diǎn)比較單一，便于制成標(biāo)準(zhǔn)桿件和單元，可在工廠中成批生產(chǎn)。而且桿件和節(jié)點(diǎn)的尺寸不大，儲(chǔ)存、裝卸、運(yùn)輸和拼裝都比較方便。

2.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)研究發(fā)展趨勢(shì)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之所以蓬勃發(fā)展是由于它具有外形美觀、受力合理、制作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)受到了結(jié)構(gòu)工程師和建筑師的青睞。多年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究，獲得了一系列顯著科研成果。相對(duì)其他種類的空間結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的理論研究和工程應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟，但隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，仍然存在一些重要問題需要研究。

2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的水平抗震性能研究

平面桿系屋蓋結(jié)構(gòu)體系上受到的水平地震作用主要由屋蓋的支承系統(tǒng)承受，所以抗震設(shè)計(jì)主要針對(duì)豎向地震的計(jì)算。而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)多用于高大空曠房屋，支承系統(tǒng)要和網(wǎng)架共同承受水平地震作用，網(wǎng)架良好的空間剛度正好提供了這種可能，因此對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系在水平地震作用下的反應(yīng)應(yīng)該給予足夠重視。

一般認(rèn)為對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮豎向地震作用，這是針對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身而言的。對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)體系來說，水平地震作用仍是不可忽視的。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有良好的空間剛度，與下部支承系統(tǒng)一起形成空間協(xié)同工作，從而保證了建筑物“大震不倒”，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震分析中，應(yīng)考慮下部支承結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就應(yīng)用范圍而言，不僅應(yīng)用于體育館等大型公共建筑，而且在工業(yè)建筑中得到了廣泛的推廣應(yīng)用。工業(yè)廠房中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由于生產(chǎn)的需要一般都設(shè)置懸掛起重機(jī)作為起重運(yùn)輸設(shè)備。懸掛起重機(jī)的設(shè)置可謂是一大創(chuàng)舉，它不僅充分發(fā)揮了網(wǎng)架超靜定結(jié)構(gòu)對(duì)集中力擴(kuò)散較快的優(yōu)點(diǎn)，而且布置靈活，便于工業(yè)流程改造。與此同時(shí)，在懸掛起重機(jī)作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞問題也被提上議程，而且引起工程界和學(xué)術(shù)界越來越廣泛的關(guān)注。如何進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)，JGJ—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》以及 GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中尚無具體規(guī)定。對(duì)于直接承受中級(jí)或重級(jí)工作制懸掛起重機(jī)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，規(guī)定其疲勞強(qiáng)度及構(gòu)造應(yīng)由專門的試驗(yàn)確定，而且懸掛起重機(jī)的噸位限制在5t以內(nèi)。這極大的限制了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在懸掛起重機(jī)工業(yè)廠房的推廣應(yīng)用。因此，開展系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究，建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)方法意義重大。

2.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的新體系

根據(jù)桿件布置方式的不同，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有多中常用的類型。在工程實(shí)踐和理論研究中，應(yīng)提倡網(wǎng)架形式的創(chuàng)新，并對(duì)其幾何拓?fù)潢P(guān)系和基本力學(xué)性能展開研究。使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)得以不斷豐富和發(fā)展，并增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的生命力。

將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)架的發(fā)展提供了又一廣闊空間。預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種新型大跨結(jié)構(gòu)，由于預(yù)應(yīng)力的施加能夠有效地減少結(jié)構(gòu)的撓度，降低內(nèi)力峰值和用鋼量，已經(jīng)日益廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程之中。網(wǎng)架的下弦平面內(nèi)或下弦平面下布置預(yù)應(yīng)力索，以及調(diào)整網(wǎng)架支座高度均能起到施加預(yù)應(yīng)力的效果。結(jié)合網(wǎng)架的支承結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)架上弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置斜拉索，也可以改善網(wǎng)架的受力。此類預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力力學(xué)性能、不同預(yù)應(yīng)力度對(duì)網(wǎng)架的卸荷效果、極限承載力和破壞形態(tài)的影響等問題值得進(jìn)一步研究。

近年來，隨著冶金技術(shù)的不斷提高，科學(xué)研究工作的不斷深入，鋁結(jié)構(gòu)在全世界范圍內(nèi)被大量應(yīng)用，歐美各發(fā)達(dá)國(guó)家更是在大量應(yīng)用鋁結(jié)構(gòu)，如鋁結(jié)構(gòu)橋、鋁穹頂結(jié)構(gòu)、鋁網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。鋁是人類認(rèn)識(shí)和利用比較早的元素之一，因?yàn)樗膹?qiáng)度和硬度都較低，純鋁構(gòu)件是十分不理想的。但是鋁可通過冷加工強(qiáng)化，把強(qiáng)度提高一倍以上，也可通過添加鎂、錳、硅、銅、鋅、鋰等合金元素，再經(jīng)熱處理進(jìn)一步強(qiáng)化，所形成的鋁合金既有優(yōu)良的物理力學(xué)性能又具有重量輕的特有優(yōu)點(diǎn)，因而是一種很理想的建筑材料。鋁網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和理論研究具有很大的發(fā)展空間。

2.4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的塑形設(shè)計(jì)

目前對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力受力分析，僅限于彈性分析范圍內(nèi)。在一些荷載確定、跨度不大的網(wǎng)架中，可以嘗試考慮塑形設(shè)計(jì)，應(yīng)允許在一定條件下，網(wǎng)架桿件部分進(jìn)入塑性。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震分析，尤其是罕遇地震作用下，應(yīng)該進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力分析。目前這一領(lǐng)域的研究工作開展的還不夠，這也是今后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)理論研究的需要關(guān)注的一個(gè)重要內(nèi)容。

2.5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的新型節(jié)點(diǎn)

隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式的不斷創(chuàng)新、桿件截面形式的變化，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式也需要不斷創(chuàng)新。需要開發(fā)一些新型裝配式、易于加工和裝配，并且成本低的節(jié)點(diǎn)形式。另外，對(duì)現(xiàn)有一些常用節(jié)點(diǎn)形式也需要進(jìn)一步改進(jìn)，以拓展其應(yīng)用范圍。工程實(shí)踐中，焊接空心球網(wǎng)架正趨向于大跨度、大節(jié)點(diǎn)的發(fā)展方向，直徑大于500mm的空心球在工程上的需求量越來越多。大型焊接空心球由于其直徑、厚度大，在鋼板加熱、壓制、焊接等加工過程中不同于一般的焊接空心球，其受力性能也和一般焊接球有所區(qū)別。

由于螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有工廠化生產(chǎn)、質(zhì)量易保證，以及安裝和施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)形式應(yīng)用越來越廣泛。高強(qiáng)螺栓是這類網(wǎng)架的關(guān)鍵部件，決定著結(jié)構(gòu)的安全和應(yīng)用范圍。德國(guó)Mero公司已有M120大直徑超高強(qiáng)螺栓，可承受2000～3000kN的設(shè)計(jì)拉力，并已在希臘雅典的體育館工程中應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)40Cr的最大直徑為M64，也僅能承受800～900kN的設(shè)計(jì)拉力。從一些實(shí)際工程中，也提出了大直徑超高強(qiáng)螺栓及配套鋼球的研制問題。只有這樣，螺栓 球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的應(yīng)用范圍才會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，使得螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的優(yōu)點(diǎn)更為突出。

結(jié)論

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)今后發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)就是網(wǎng)架與預(yù)應(yīng)力結(jié)合的大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu), 大跨空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是衡量我國(guó)建筑科技水平的重要標(biāo)志之一, 我國(guó)當(dāng)前針對(duì)于大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所涉及需要的新體系、新技術(shù)、新材料還存在很大欠缺, 有待進(jìn)一步研究和完善, 以更充分的體現(xiàn)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性與合理性 ,最終促使我國(guó)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)蓬勃地發(fā)展, 更好的為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建筑服務(wù)。

[1]張文福.空間結(jié)構(gòu)[M].科學(xué)出版社. 2005.8

[2]劉錫良.我國(guó)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展[C].第六屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2006.7

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1007-6344（2016）07-0263-01