常见网架结构型式与建模技巧

常见网架结构型式与建模技巧
建筑结构通常分平面结构和空间结构两大类。

应用最广泛的空间结构是空间网格结构，根据组成形状分为网架结构和网壳结构。

当网格结构为平板型时即为网架结构，当网格结构为曲面形状并具有网壳的结构特性时即为网壳结构。

网架结构，首先按网格单元分为平面桁架系网架，四角锥体系网架、三角锥体系网架。

其次，按网架的支承情况分为周边支承网架、点支承网架、周边支承与点支承相结合的网架，三边支承或两边支承网架。

实际工程中，我们常用的是四角锥和三角锥体系网架。

网壳结构有很多种分类方法和种类，仅介绍常用类型，首先按结构型式分球面网壳、柱面网壳、双面抛物面网壳、折板型网壳、应力表皮网壳。

其次，按支承条件分无水平推力网壳、有水平推力网壳。

按层数分单层网壳、双层网壳等，详见附表。

开始设计网架工程时，应综合比较选择一个优化的结构类型，然后开始建模。

建模是将工程模型转化为数字模型的一个过程。

首先，根据建筑造型选择网格组成单元，划分网格尺寸。

然后根据跨度、支承方式、荷载大小等，确定网架厚度。

完成几何形状后，再根据支承柱的刚度给支座赋值。

最后调整荷载、进行结构分析和设计。

这样，反复比较几个网架方案，最终确定一个优化设计方案作为设计方案。

网架建模关键步骤如下：
第一、网格单元：目前常用的组成单元中四角锥体应用最普遍。

因为，四角锥网架造型整齐、美观、刚度大。

当网架几何尺寸为正方
形或接近正方形时，多采用斜放类锥体网架。

当几何尺寸为多边形即六边形或八边形时，可采用三角锥网架，它形成的结构单元和网架整体很有规律，传力途径简洁，受力合理。

当网架几何尺寸为圆形、弧形，可采用三角锥体，也可采用四角锥体系。

第二、网格尺寸和厚度：首先根据网架跨度和荷载大小确定网格数和网格尺寸。

通过周边支承平板网架工程计算结果，总结如下最优网格数与跨高比的经验公式：
注：L2为短向跨度，单位为m。

以上公式仅为参考数据，实际工程设中应上下浮动10％进行试算比较，确定一个较佳的网格数作为工程数据。

其次，网格尺寸还和屋面材料有关，当屋面为压型钢板时，网格一般不应大于3m。

否则，一般压型钢板都要增加副檩条。

当屋面夹芯板时，可以大于3m。

当屋面为采光板时，应根据玻璃、阳光板规格确定，一般不大于2m。

第三、支座假定：支座约束可分为自由、弹性、固定和强迫位移等四种。

弹性支承是网架结构中普遍存在的约束条件。

如果能计算出网架下部支承结构在某自由度方向的刚度，这样可以近似地计算出网
架与下部结构之间的共同作用，与实际相吻合。

网架规程中已经给出独立柱的刚度计算公式：K C＝3E C I C/L C3。

通过该公式计算的刚度输入网架程序即可计算。

但输出的支座反力和位移与实际用该反力计算的柱顶点侧向挠度有一定的出入。

因此，实际工程中，要将该计算刚度值放大或缩小一个数量等级各试算几次，取不利的结果作为设计数据。

第四、荷载输入：恒载、活载均布荷载输入程序即可自动生成节点荷载。

风载应按荷载规范详细计算，每一个风向均应输入计算。

地震力：6度、7度地区可以不进行结构计算，但网架对下部结构肯定会产生地震力，因此，在给主体结构设计单位提出资料时，应特殊加以说明。

8度地区仅计算竖向力，9度地区既计算竖向力，又计算水平力。

对于连模、悬挑跨网架应考虑活载最不利组合。

对于多支点支承网架还应计算温度应力。

第五、分析设计后还应该对结果进行分析。

首先分析网架挠度，应满足1/250，再分析最大位移节点，支座节点位移，也应满足侧移要求。

其次，分析比较输出的荷载组合是否与现行规范相吻合，否则应重新输入荷载情况，重新调整荷载，多次反复计算取最不利工况设计。

最后，分析球、杆件、螺栓的大小和种类等，是否符合现有生产加工水平的要求。

以上仅是从理论上概述设计建模的几个主要问题，只有在实际工作中不断摸索，反复研究网架程序的特点，才能将网架工程设计做得更好。

下面结合工程实例简单介绍一下网架设计中的几个技巧。

1、一九九七年设计的佳丽广场顶部钢结构工程，包含钢结构平台、网架避雷针针等，属超高层建筑，风载是主要控制荷载。

建模时，先用三角锥单元做好一个面，再通过镜像合并而成，经比较，三角锥单元刚度较好，与整体造型也相对应。

2、一九九八年设计的喷泉大厦宝顶网架工程，采用正放四角锥单元，通过弯折、镜像，合并而成，为了增加整体刚度，中间增加了一个平台，外侧为隐形玻璃幕墙。

3、一九九九年设计的武汉市第十一中学食堂工程，造型为椭圆型网壳，中部和两端分别用圆拱形网架弯折而成。

为了消除支座推力，利用了橡胶垫支座。

4、一九九九年设计的远东绿世纪多功能厅网架工程，采用四角锥网架单元，端部用圆拱形网架弯折而成，中部圆柱形网架与之拼接，为了减少支座推力，圆柱开口部分增加了封端。

5、二OO一年设计的襄樊银行营业楼顶部钢结构工程，底部为钢架，顶部为半球形网架，用四角锥网架弯折而成，外侧为铝板。

这样加工、安装都很方便，板材利用率也很高，胶缝比较整齐美观，可以满足建筑造型。

6、二OO一年设计的江汉大学网架工程，由几段圆拱形网架连接而成，屋面为压型钢板，局部为阳光板采光带。

7、二OOO年设计的汉口体育中心体育场网架工程，A区为悬挑网架，由圆拱形网架弯折成圆弧形状。

B区为椭圆形网壳，该部分采用四角锥网架单元，在AUTCAD环境下形成曲面，然后转化为DXF再
导入到SFCAD进行编辑、整理加载等。

屋面为压型钢板。

8、二OO一年设计的三环集团黄石智能生产基地单品厂房网架工程，跨度43.2m，长86.4m，两块对称网架。

结构找坡，下弦起拱，屋面支托第二次找坡，这种方法处理大跨度网架比较合理。

以上介绍仅是本人工作中的一点体会，仅起到抛砖引玉的作用。

论述中可能有不完善的地方，希望各位多提宝贵意见。

江苏天地钢结构工程集团有限公司
武汉分公司
李伟
二OO二年二月二日。