大跨屋面鋼網(wǎng)架結構優(yōu)化設計

龔　兵

(福建省建筑設計研究院　福建福州　350001)

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大跨屋面鋼網(wǎng)架結構優(yōu)化設計

龔兵

(福建省建筑設計研究院福建福州350001)

鋼網(wǎng)架結構作為屋面支承系統(tǒng)，在大跨度空間結構中得到了較為廣泛的應用。文中以某田徑館的屋面網(wǎng)架為例，探討了大跨屋面鋼網(wǎng)架結構的優(yōu)化設計。對不同網(wǎng)架類型、不同支座約束條件、不同網(wǎng)架高度等進行了對比計算，通過綜合比較用鋼量、撓度、構件規(guī)格等，進行了網(wǎng)架的結構優(yōu)化設計，使之趨于合理，經(jīng)濟實用；最后簡要敘述了屋面檁條、馬道等的設計。

大跨度屋面；網(wǎng)架；優(yōu)化設計；支座節(jié)點

0　引言

體育場館、展覽館、大型影劇院等公共建筑，因其使用功能要求，常為大跨度大空間建筑形式，其屋蓋體系常采用輕型鋼結構屋面系統(tǒng)，其中網(wǎng)架是一種比較常用的結構體系。如何選用合理、經(jīng)濟的網(wǎng)架形式，如何設置支承條件，以及荷載等等的確定，都需要設計人員深入研究對比。本文以某體育場館的屋面網(wǎng)架為例，通過對不同網(wǎng)架類型、不同支座約束條件、不同網(wǎng)架高度等的對比計算，探討了大跨屋面鋼網(wǎng)架結構的優(yōu)化設計；最后簡要敘述了屋面檁條、馬道等的設計。

1　工程概況

1.1主體結構簡介

本項目為某少年兒童業(yè)余體校，含7個子項，總建筑面積約8萬多平方米。本文主要介紹其中的田徑館屋面網(wǎng)架設計。

田徑館長145.6m，寬67.2m，縱向柱距為11.2m，橫向柱距為14.0m及12.6m，建筑檐口高度21.4m，建筑面積10 488m2。

本工程結構設計使用年限為50年，抗震設防類別根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準》[1]定為重點設防類，場地抗震設防烈度為6度，設計基本加速度為0.05g，地震分組為第二組，場地土類別為三類。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[2]，本工程框架結構抗震等級為三級，部分大跨度框架抗震等級為二級。

本工程主體為鋼筋混凝土框架結構體系，軸1～7部分為多層鋼筋混凝土框架結構，其屋面為鋼筋混凝土梁板體系；軸7～16部分為單層大跨空間結構，屋面采用輕型鋼結構屋面系統(tǒng)，即鋼網(wǎng)架加彩色壓型鋼板屋面。各部分屋面標高如圖1所示。

1.2網(wǎng)架支承結構和荷載

田徑館大屋面平面尺寸為 100.8m×67.2m，網(wǎng)架覆蓋面積為6 774m2。網(wǎng)架縱向支座擬設在柱頂，橫向因柱距不均等，網(wǎng)架支座設在框架梁上。因此網(wǎng)架支承條件為周邊多點支承，網(wǎng)架的支承跨度為 67.2m，網(wǎng)架支承平面結構布置圖如圖2所示。

各網(wǎng)架支承柱懸臂高度如下：軸A、G交軸8～15處柱懸臂高度為19.70m，軸7交軸B、F處柱懸臂高度為4.96m，軸7交軸C、E處柱懸臂高度為16.264m，軸16交軸B、F處柱懸臂高度為20.26m，軸16交軸C、E處柱懸臂高度為20.764m。

網(wǎng)架荷載如下：

(1)恒荷載：上弦(考慮檁條、屋面板等)為0.5kN/m2；下弦局部馬道(加燈具音響電纜等)2.5kN/m2，將0.5 kN/m2的馬道活荷載折算為恒荷載，并將1.2m寬的馬道荷載均攤到5.6m的網(wǎng)格寬度，布置在馬道所在網(wǎng)格上；

(2)活荷載：上弦(不上人屋面)為0.5kN/m2，下弦(吊掛荷載)為0.3kN/m2；

(3)風荷載：基本風壓為0.7 kN/m2，高度系數(shù)為1.23，體型系數(shù)為-0.6，風荷載作用于上弦節(jié)點。

(4)溫度作用：考慮正負25°的溫度變化作用。

2　網(wǎng)架結構選型

本工程網(wǎng)架采用MSTCAD軟件計算，拉桿容許長細比為250，壓桿容許長細比為180，采用滿應力法，控制桿件最大應力比為0.85。

本工程屋面網(wǎng)架是平面形狀為矩形的周邊多點支承網(wǎng)架，根據(jù)《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》[3]，宜選用的網(wǎng)架類型為：正放四角錐網(wǎng)架，正放抽空四角錐網(wǎng)架，兩向正交正放網(wǎng)架。

經(jīng)與甲方及建筑專業(yè)商量，本工程采用四角錐形式網(wǎng)架。為了決定是否采用抽空網(wǎng)架，進行了上弦周邊支承的正放四角錐網(wǎng)架和正放抽空四角錐網(wǎng)架的對比計算，網(wǎng)架平面尺寸為100.8m×67.2m，上弦網(wǎng)格數(shù)為19×13，網(wǎng)架高度設為4.5m，主要計算結果見表1。

采用正放抽空四角錐網(wǎng)架，網(wǎng)架總用鋼量略少于正放四角錐網(wǎng)架(約為1.7%)，但其節(jié)點用鋼量遠較后者為大(約為19.4%)；且因本網(wǎng)架跨度較大，桿件規(guī)格本身就比較大，如果采用抽空形式，桿件及節(jié)點球的規(guī)格均增大較多，不利于安裝。同時，考慮到縱向柱距均為11.2m，如果將網(wǎng)架支座設在柱頂，可以減小柱頂拉梁的截面尺寸。這樣比較適宜的網(wǎng)格尺寸為5.6m，如此上弦縱橫網(wǎng)格數(shù)均為偶數(shù)，不便于抽空。此外，本工程尚需設置馬道，以下弦球節(jié)點作為支點比較適宜，若下弦抽空，則需吊掛到上弦球節(jié)點，將增加馬道的總用鋼量。

綜上緣由，本工程采用上弦多點支承正放四角錐網(wǎng)架，網(wǎng)格尺寸為5 600×5 600。

表1　兩種形式網(wǎng)架對比計算主要結果

根據(jù)《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》[3]，網(wǎng)架高度一般可取跨度的1/18～1/10，本網(wǎng)架跨度67.2m，網(wǎng)格尺寸5.6mx5.6m，網(wǎng)架高度可取3.8m～5.6m。根據(jù)建筑造型，屋面為沿短跨方向雙向找坡，屋脊到檐口處高差為1.344m。為了增加網(wǎng)架的有效高度，節(jié)省造價，直接將網(wǎng)架上弦層沿屋面坡度設置，設計成變高度網(wǎng)架，即沿跨度方向跨中高度比支座處高1.344m。

網(wǎng)架平面布置圖及剖面圖如圖2所示。網(wǎng)架檐口處高度暫按4 000考慮。

3　支座節(jié)點設計

3.1支座約束及反力

本工程網(wǎng)架支座采用上弦周邊節(jié)點隔一支一，軸A、G處網(wǎng)架支座均支承在框架柱頂，軸7、16處網(wǎng)架中間支座均支承在框架梁面。

四個角點處的框架柱，因都有雙向框架梁連接，此處的網(wǎng)架支座可認為是三向鉸支，其余各支座均為懸臂柱支承，各懸臂柱高度詳1.2節(jié)所述，其中軸7交軸B、F處柱懸臂高度僅4.96m，與其它柱相差懸殊，必將造成此處網(wǎng)架支座水平推力遠大于其它支座，對下部梁柱的設計極為不利。四個角點處因是鉸支，水平推力將更大，雖然對于柱來說兩向均有框架梁聯(lián)系，可不考慮其影響，但對網(wǎng)架支座的設計也將造成很大困難。

如果在網(wǎng)架支座處增加橡膠墊板如下：邊長為360mm，上下表層橡膠各厚2.5mm，中間層厚8mm×6，夾層鋼板厚3mm×7；根據(jù)規(guī)范計算可得橡膠墊板的水平剛度2.93kN/mm，豎向剛度1882kN/mm。

網(wǎng)架計算時支座設為鉸接彈性約束，在框架平面內，支座等效水平彈性剛度基本等于橡膠墊板水平彈性剛度；在框架平面外，支座等效水平彈性剛度等于懸臂支承柱水平彈性剛度與橡膠墊板水平彈性剛度的串聯(lián)組合。以此組合剛度代入計算，可得各支座的最大反力，如圖4所示。網(wǎng)架支座反力應代入主體結構進行計算，同時應取單榀框架進行復核計算，以保證網(wǎng)架支承柱的承載能力。

表2給出了兩種約束條件下網(wǎng)架總用鋼量、撓度及支座最大水平推力的比較結果。

表2　兩種約束條件下網(wǎng)架對比計算結果

增加橡膠墊板后，網(wǎng)架支座的水平推力大幅減小，而且較為均勻，對支承梁柱的受力及網(wǎng)架支座節(jié)點的設計都十分有利。

網(wǎng)架在支座處X、Y向水平位移經(jīng)查為36mm、26mm，而支撐網(wǎng)架的框架最大節(jié)點水平位移僅為3mm，因此，上述計算模型，即采取柱與橡膠墊板水平彈性剛度的串聯(lián)組合代入，代替主體框架結構與屋面網(wǎng)架的上、下整體分析，從工程設計的層面看，所帶來的誤差是可以忽略不計的。

3.2支座節(jié)點大樣

網(wǎng)架支座節(jié)點大樣如圖5所示，圖中未注明的構件連接均為角焊縫連接。

支座所用橡膠墊板要求采用定型抗震墊產品，材料性能應滿足《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》[3]附錄K的要求。其力學參數(shù)應滿足上節(jié)所述要求。在橡膠墊板四周涂以防止老化的酚醛樹脂并粘結泡沫塑料，或采取可達到相同防老化效果的其它措施。

設置橡膠墊板后網(wǎng)架支座最大水平推力為50kN。在支座底板和過渡板周邊均焊了12×20的鋼條作為橡膠墊板的抗滑限位裝置，如圖5所示，使支座能承受一定的水平推力不產生水平滑移。

4　網(wǎng)架高度優(yōu)化

為了得到最優(yōu)的網(wǎng)架高度，對檐口處網(wǎng)架高度從3.8m到5.0m取不同數(shù)值做了對比計算，比較了桿件用鋼量、總用鋼量、網(wǎng)架撓度等，主要計算結果詳見表3。

表3　不同網(wǎng)架高度對比計算主要結果

本工程網(wǎng)架的許可撓度按1/250為268.8mm，上述幾種高度均已滿足網(wǎng)架變形要求；網(wǎng)架檐口處高度為4 400時，網(wǎng)架用鋼量最少；檐口處的高度在4 000～4 800范圍內，網(wǎng)架用鋼量差別不大。為了盡量滿足建筑內部使用凈高的要求，最后網(wǎng)架檐口處高度定為4 000。

通過滿應力分析可得，本網(wǎng)架最大桿件規(guī)格為Ф299×16，最大節(jié)點球為Ф550×22。

5　屋面檁條及馬道布置

5.1屋面系統(tǒng)

屋面檁條布置圖詳見圖6。

圖中粗實線所示沿屋面坡度方向為主檁條，采用高頻焊接 H型鋼 H200×100×6×8；粗虛線所示為次檁條，采用C型薄壁型鋼檁條C200×70×20×2.5。

屋面縱向標準節(jié)點大樣如圖7所示。

5.2馬道設計

馬道平面布置如圖8所示。馬道主梁支承于下弦球節(jié)點的頂托板上，具體設計及主要構件規(guī)格詳圖9。

圖中馬道欄桿扶手立桿間設置Ф14@140鋼筋，馬道踏面為Ф18@70鋼筋。馬道構件除注明采用螺栓連接外，其余均采用焊接連接。球徑不同時，應調節(jié)支托高度，將馬道橫斷面調平。

檁條、馬道的等鋼結構設計均符合《鋼結構設計規(guī)范》[4]的要求。

6　結語

鋼網(wǎng)架結構作為一種可靠而經(jīng)濟適用的屋面支承體系，在大跨度空間結構中已得到廣泛應用。通過本工程網(wǎng)架的優(yōu)化設計可以看出：

(1)正放四角錐網(wǎng)架是否抽空，須視具體條件而定。對于本工程情況，因網(wǎng)架跨度較大，構件規(guī)格本身就比較大，如果采用抽空形式，桿件及節(jié)點球的規(guī)格均增大較多，不利于安裝；此外還要考慮網(wǎng)格數(shù)及需在下弦節(jié)點處吊掛的情況，因此決定不抽空。

(2)網(wǎng)架支座節(jié)點增加橡膠墊板后，水平推力大幅減小，而且較為均勻，有利于梁柱的受力及網(wǎng)架支座節(jié)點的設計。

(3)網(wǎng)架高度對用鋼量、撓度等均有影響，應通過對比計算，確定經(jīng)濟適用的網(wǎng)架高度。本工程為變高度網(wǎng)架，經(jīng)優(yōu)化計算，確定檐口處高度為4 000mm，約合跨度的1/17。

[1]GB 50223-2008 建筑工程抗震設防分類標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]GB 50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[3]JGJ 7-2010 空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[4]GB 20017-2003 鋼結構設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2003.

龔兵(1967.07-)，女，碩士，高級工程師,主要從事結構設計方面的工作。

The design and optimization of steel space truss structure applied to large-span roof

GONGBing

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute, Fuzhou, 350001)

The steel space truss structures as the roof support system are applied widely to large-span spatial structures. The design and optimization of steel space truss structure applied to large-span roof are discussed in this paper by the space truss design of the roof of a track and field gymnasium. Several contrast calculations are proceeded including different space truss types, different supporting conditions, and different space truss heights. The optimize designs which be reasonable and economic are realized by comprehensively comparing the amount of steel, deflection, and component size. The design results of roof purlines and repair paths are given briefly last.

Large-span roof; Space truss; Optimize design; Supporting joint

龔兵(1967.7-)，女，高級工程師。

E-mail:623427964@qq.com

2016-02-28

TU391

A

1004-6135(2016)03-0064-05