建筑屋面网架结构设计

建筑屋面网架结构设计

作者：李丽

来源：《城市建设理论研究》2013年第17期

摘要：本文对建筑屋面网架的结构设计做了简要介绍, 对网架支座设计中常见的问题进行了探讨并提出了解决方案。

关键词：网架结构; 屋面网架; 网架支座; 结构设计 中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号： 引言：

空间结构因其造型美观、受力合理、覆盖空间大、施工速度快等诸多优良特性在世界范围内得到了广泛应用。在形式众多的空间结构中,网格结构是发展最快的结构形式,其中尤以网架在国内外应用最为广泛。网架结构组成灵活多样但又有高度的规律性,便于采用,并可适应各种建筑方面的要求, 网架高度内的空间可以用来设置管道等设施, 网架结构外露部分, 因其几何图形规则, 可以丰富建筑效果, 此外, 该类结构亦可适应各种支承条件和各种建筑平面形状, 能够满足公共建筑和工业厂房的要求。目前, 对于跨度大于24 m 的结构几乎把网架网壳作为首选的结构形式, 空间网格结构的广泛应用对我国的建筑结构向现代化发展起着巨大的推动作用。 荷载取值及组合 1. 荷载标准值 1.1 恒荷载标准值 1.1.1 上弦恒荷载

屋面板自重0.25 kN/m2, 檩条及其连接件重0.25 kN/m2, 即屋面均布恒荷载为0.5 kN/m2, 有玻璃采光带处屋面恒载取0.8 kN/m2。 1.1.2 下弦恒荷载

下弦恒载主要考虑室内的吊顶荷载和灯具的悬挂荷载, 根据建筑方面提供的材料, 下弦恒载取1.2 kN/m2。此外, 网架下弦根据使用要求在网架中部对称布置8 个风机, 每个风机重4 kN, 设计时将每个风机的荷载平均分布在一个网格内的4 个球节点上, 避免单个节点受荷过重。 1.2 活荷载

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

屋面活荷载标准值取0.5 kN/m2。 1.3 温度荷载

温度荷载考虑±30 ℃( 结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值) 。 1.4 风荷载

在进行网架屋盖维护结构计算时, 屋面各部分的体形系数取值参考《建筑结构荷载规范》GB50009—2001( 2006 年版) 。 1.5 雪荷载

当地50 年一遇基本雪压为0.25 kN/m2。 2. 荷载组合

在荷载组合中考虑了恒荷载、活荷载及其不利布置、温差的影响、风荷载及地震荷载的作用。主要考虑了如下的几种组合: 第一种组合为1.2 恒荷载; 第二种组合为1.2 恒荷载+1.4 活荷载; 第三种组合为1.2 恒荷载+温度荷载( 30 ℃,- 30 ℃) ; 第四种组合为1.2 恒荷载+1.4 活荷载+温度荷载( 30 ℃, - 30 ℃) ; 第五种组合为1.2 恒荷载+0.5 活荷载+1.3 地震荷载; 第六种组合为1.35 恒荷载+1.4×0.7 活荷载。 网架设计

网架结构的设计可采用空间钢结构设计软件SFCAD2000 , 结构形式为正放四角锥, 采用焊接空心球节。杆件的材质选用Q235 级钢, 钢管选用热轧无缝钢管, 支座形式:外围四个角部采用固定铰支座, 其余节点释放与梁纵向垂直法向约束, 即采用双向铰支座, 各支座周边支承于下部结构的钢筋混凝土梁上。参照《网架结构设计与施工规程》JGJ 7—91 第2.0.10 条, 下层网架高度取为4.3 m, 上层网架高度由建筑方案取为2.0 m, 基本网格尺寸5.3 m×5.2 m。经SFCAD2000 计算程序对截面的优选优化, 设计过程中反复调整, 网架结构杆件截面终定为d ×4.0, d 114×4.0, d 127×5.0, d 133×6.0, d 140×8.0, d 159×10, d 180×12, d 219X14, d 219×16。上述几种杆件截面均为实际工程中常用截面形式, 市场取材方便。由于结构平面布置对称, 荷载分布对称, 经计算过的网架结构杆件平面分布呈现双轴对称, 截面较大的杆件主要分布在网架上弦跨中部位和支座处的腹杆处, 这与上述部位在荷载作用下杆件承受的轴向力较大的受力特点相一致。 结构挠度控制

经计算, 网架结构的最大节点位移发生在网架结构中部的上弦节点, 竖向位移最大值为133 mm, 满足《网架结构设计与施工规程》JGJ 7—91 第2.0.17 条: 用作屋盖的网架挠度限值L/250( 274 mm) 的规定。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

支座的设计

网架结构支座的设计不仅要充分地与计算简图相接近, 充分地考虑网架结构本身的受力性能, 还要充分地考虑到支座反力对下部支承梁柱的不利影响。本工程网架横向与纵向的跨度均较大, 温度作用下结构的变形较大( 74.4 m 方向的最大法向位移达22.2 mm) , 为减少网架支座对下部支承混凝土梁的扭矩作用, 初步设计采用两种支座形式, 即在周边四个角部采用固定铰支座, 其余梁上的支座释放与梁纵向垂直的法向约束, 采用双向铰支座。经程序反复计算后发现, 网架支座在横梁与纵梁相交的转角处, 出现了拉力, 此种现象可解释为网架设计的荷载取值较大,且网架的两侧为三层, 中部为两层, 中部刚度相对较小所致。鉴于考虑此种情况, 支座设计时在支座受拉处采用拉力支座。此外, 本网架各支座的竖向支座反力相差较大, 支座反力较小处, 采用普通的橡胶支座, 橡胶垫板的抗滑移验算不能满足要求。

聚四氟乙烯滑板式橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上, 将一块平面尺寸与橡胶垫相同的聚四氟乙烯板与橡胶垫黏合在一起, 并在其下部放置一块不锈钢板, 由于聚四氟乙烯与不锈钢板之间的摩擦系数很小,使得橡胶垫能够在其上自由滑动, 这种支座除具有板式橡胶支座的优点外,主要是具有较大的水平位移量。为了使聚四氟乙烯滑板式橡胶支座适应大跨度结构的应用, 屋面网架设计时采用了以下措施:其一, 为了增加橡胶垫的剪切变形能力,采用了较低的邵氏硬度,同时适当增大橡胶层的厚度; 其二, 尽量减小支座的平面尺寸,增加支座的转动能力; 其三, 设置限位螺栓,防止出现过大的侧向变形。 防腐防火处理

在钢结构设计时,除在结构选型、截面组成以及钢材材质方面予以注意外,尚应根据使用环境及其重要程度,采取相应的防腐蚀措施。本工程除锈方法:一是按照设计要求, 在钢构件出厂前进行喷砂处理,质量达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》( GB23—88) 中的Sa2.0 等级; 二是基层防腐, 钢构件除锈后,表面涂刷防锈底漆2 遍。防火涂料按照建施要求,其质量经消防部门确认, 国家技术检测部门检测合格后方可使用。 结束语：

在网架设计中, 最重要的一点是选择符合工程实际情况和建筑设计方案等综合条件的结构形式, 确定合理的计算简图, 选择适当的支座形式, 确定支座的位置, 充分考虑结构可能作用的各种荷载。要保证结构几何不变, 按照各个支座的反力和网架的挠度反复试算进行调整, 直到网架受力合理、杆件截面适中且挠度符合规范要求。网架设计完毕后, 还应根据网架的受力和构造等特点选择安装方法, 在保证网架质量和安全的前提下, 尽量缩短整装网架的时间, 以配合工程的总进度。 参考文献：

[1] 李伟.网架工程设计与施工[ J] .国外建材科技, 2004, 25( 2) :119-121.

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[2] 王琦.海丰鞋厂80 m×80 m 网架屋盖设计[ J] .广东土木与建筑, 2001( 4) :19- 20. [3] 范重, 王春光, 董京.宁波国际会展中心屋盖管桁架结构设计[ J] .建筑结构, 2003, 33( 6) :- 57.