陈放

（重庆市建筑科学研究院，重庆400020）

网架结构与空间管桁架结构的特点分析

陈放

（重庆市建筑科学研究院，重庆400020）

随着建筑业进入快速增长时期，建筑物也朝着高度更高、体量更大发展，而钢结构中的网架结构和空间管桁架结构因其具有跨度大、自重较轻的特点，越来越广泛的应用于各类建筑结构中。

1 网架结构

1.1 网架结构的概述

目前通常将平板型的空间网格结构称为网架，将曲面型的空间网格结构称为网壳。为保证足够的刚度，网架一般设计为两层，在某些特殊情况下也可以做成三层。网架由于其良好的空间特性和高度的工业化生产特点，全能性地适用于大、中、小跨度的屋盖体系。

网架的结构重量轻，刚度大，整体效果好，抗震能力强，是高次超静定空间结构，采用很多杆件沿两个或多个方向有规律地组成，能够承担由各个方向传递来的荷载，它改变了一般的平面桁架的传力方式及其受力体系。网架结构适用于各种跨度的建筑，既适用于大跨度的房屋和厂房，也适用于中小跨度的建筑结构。网架在结构、杆件、节点的生产上可实现规格化，这对实现工厂化生产是非常有利的，也对提高工程质量和加速工程进度是有很大好处的。通过多年的实践与发展，现在已经开发出通用的计算机计算程序可对网架结构进行相关计算及深化设计，且绘制图纸比较简单，加上网架结构的施工所具有的特点和优越性，也对发展我国网架结构提供了有利的条件。

1.2 网架结构的特点

（1）网架结构最大的特点是各根杆件之间的互相支撑作用，其整体性好，刚度比较大，抗震能力也较强，而且如果地基基础发生不均匀沉降，其所带来的不利影响结构也能够承受住[1]。

（2）网架结构是高次超静定的空间结构，是由很多杆件沿两个方向，或者沿多个方向按一定规律的组合而成，能够承受来自各个方向的荷载，它与一般平面桁架的受力传力体系是不同的[1]。

（3）网架结构的自身重量比较轻，在钢材的用量上比较节约。跨度在30m以上时明显比钢筋混凝土结构节省钢材，在软土地基上使用网架更为有利。如已建成的天津市科学宫，网架平面尺寸×网架高：14.84m×23.32m×1.0m，用钢量仅为6.3kg/m2。

（4）网架结构的适用性大，对工业与民用公共建筑，可采用中小型跨度，也可采用大跨度。从建筑物平面的形式来讲，可采用圆形（上海体育馆）、矩形（北京体育馆）、马鞍形（上海体育馆）、扇形（上海文化馆）、飘带形（广州奥林匹克中心）、鱼形（广州会展中心）等。

（5）网架结构在钢材的选取上比较方便，一般多采用Q235钢或Q345钢，杆件多采用无缝钢管、高频焊管或其他型钢。

（6）网架结构由于它的杆件、螺栓球、焊接球、锥头、高强螺栓等已标准化、系列化，适于工厂化生产。

（7）网架结构的计算已有通用的计算机计算程序和软件，具有制作施工图、查看内力、作材料表和安装图等的功能，给网架结构的发展提供了有利的条件。

1.3 网架的选型

1.3.1 两向正交正放网架

两向正交正放网架由两个方向的桁架交叉组成。“正交”就是两个方向的桁架相互交叉成直角，“正放”就是两个方向的桁架分别与建筑物的边界平行。这种网架刚度较差，适用于正方形的建筑平面，跨度以30～60m的中等跨度为宜。

1.3.2 两向正交斜放网架

“斜放”就是两个方向的桁架分别与建筑物的边界成450角。两项正交斜放网架由于短边桁架对长边桁架起到了支撑作用，因此其刚度较两向正交正放网架大，使用于60m以上的中、大跨度项目。

1.3.3 锥体网架

前面两种网架都是由平行弦桁架相互交叉组成，故属于交叉桁架体系网架。锥体网架是由三角锥、四角锥或六角锥的锥体单元组成的空间网架结构，故属于角锥体系网架。锥体网架因不是析架交叉组成，故网架的上、下层网格之间设有竖向腹杆。上、下层网格之间的腹杆，也就是锥体的棱角斜杆。

正放四角锥网架的底边相连成为网架的上弦杆，锥尖的连杆为网架的下弦杆，上、下弦杆平面错开半个网格，锥体的棱角杆件为腹杆。正放四角锥体网架杆件内力比较均匀，当为点支承时，除支座附近的杆件内力较大外，其他杆件的内力也比较均匀，屋面板规格比较统一，上、下弦杆件等长，无竖杆，构造比较简单。四角锥体网架适用于平面接近正方形的中、小跨度周边支承的建筑，也适用于大柱网的点支承、有悬挂吊车的工业厂房和屋面荷载较大的建筑。

2 空间管桁架结构

2.1 空间管桁架结构的概述

近年来在大跨度空间结构的应用中管桁架结构得到了前所未有的广泛的发展。网架结构和空间管桁架结构体系的区别主要是在连接方式上它们的节点是不同的：网架结构节点一般采用螺栓球或空心球作为连接点；而空间管桁架结构节点则通常采用直接焊接的相贯节点作为连接点。在空间管桁架结构的相贯节点位置，只有在同一轴线位置上的两个主管才可贯通，其余杆件直接焊接在主管的外表面上，并通过端部相贯线切割。相贯线的切割以前是技术难度较高的制造工艺，但随着多维数控切割技术的发展，这些难度已经被克服。

空间管桁架结构具有外观简洁、线形流畅的外观效果，其空间造型也比较多样，广泛用于门厅、航站楼、体育馆、会议中心和展览中心等建筑。

2.2 空间管桁架结构的特点

2.2.1 空间管桁架结构的优点

（1）由于在节点连接的处理方式上，空间管桁架结构采用直接焊接各根杆件，摒弃传统的连接方式，因而具有施工简便，节省钢材的优点。

（2）节点连接方式比较简单。

（3）结构外观简洁、线形流畅、空间造型多样化。

（4）所采用的钢管管壁比较薄，截面有比较大的回转半径，因而拥有较好的抗压和抗扭性能，从而结构整体刚度比较大，其几何特性比较好。

（5）钢管与大气接触的表面积比较小，节点处各根杆件又是直接焊接，无积留湿气和大量灰尘的死角或凹处，便于清刷、油漆，维护和防锈；并且管形构件对端部及全长范围内作封闭处理后，在其内部是不易生锈的[2]。

（6）从流体动力学角度来讲，圆形管截面的管桁架结构其性能是有优势的，在风力或水流等荷载作用下，圆管结构比其它截面形式的结构其荷载作用效应要低得多[3]。

2.2.2 空间管桁架结构的局限性

然而，空间管桁架结构对其生产和施工工艺以及加工的设备是有一定要求的，这主要是由于其采用相贯焊接的节点，因而空间管桁架结构在应用上也存在一定的局限性。

（1）加工和放样相贯节点的工艺比较复杂，手工切割很难做到其相贯线上的坡口变化，因此一般采用机械加工，且要求施工单位配备数控的五维切割机床设备，对机械加工的工艺要求也很高。由于工艺精度的需求以及材料自身的质量问题(例如钢管不够圆)，易导致相贯线不能满足施工要求，那么施工中就只好在高空进行修补，造成安全问题，也延误了工期。

（2）空间管桁架结构的节点一般采用焊接方式，需要在焊接时控制其收缩量，对焊缝的质量要求也比较高，因是现场焊接，所以相对来讲其工作量也比较大。

（3）在用钢量上空间管桁架结构往往比网架结构大。对于不同内力的杆件，应采用不同壁厚但相同外径的钢管，壁厚不宜有太多的厚度变化，在弦杆方向上相贯节点应尽可能使用同一外径的钢管作为杆件，不然各钢管间的拼接会比较复杂，其拼接数量也太多。从而造成钢材用量的增加，也不能充分发挥材料的强度。

2.3 空间管桁架结构的主要类型

空间管桁架结构按照构件的截面形状可以分为矩形管桁架和圆形管桁架。作为结构构件，矩形钢管具有节点处杆件平直切割的便利和弯曲性能好的优点，在发达国家得到了广泛应用。直接焊接节点矩形钢管不需要加劲板、节点板，使得节点用钢量减少，节点形式变得简单明了，构件在连接上更为方便，在建筑美学表现上也更好[4]。而圆钢管的优点除了具有较高的惯性半径及有效的抗扭截面外，还具有其表面没有凹凸角，在外形上对空气动力也是有利的。圆管结构的制造在成本上要比矩形管结构的制造费用高。如果弦杆与支杆相比较，其太小相差不大，并且支杆直接与弦杆焊接时，支杆端部需沿相贯线进行切割，管端部的坡口也需沿管周边进行变化以方便焊接。半自动或手工对圆管的相交线切割要比矩形管的直线切割费用高很多[4]。

目前在国外，由于以上的种种原因，圆管没有矩形管应用广泛，工厂的加工存货也较少，因而材料的准备时间比较长。在结构中，如在桁架上部弦杆上放置其它结构或板条，矩形管则具有很好的连接表面，用以支撑这些结构。将支撑结构焊接到圆管上比焊接到矩形管上要复杂得多[4]。在选取材料时，另外一个需要注意的因素是矩形管更便于运输和存放，这是在又一个重要方面矩形管比圆管好。

最常见的空间管桁架形式是空间三角形桁架。这种结构造型美观，安装方便，稳定性好，与网架相比，三角形空间桁架省去了下弦纵向杆件，建筑形式也比空间网架结构更灵活多样，所以应用也比较多。

表1 网架结构与管桁架结构的对比分析

责任编辑：李红

3 网架结构与空间管桁架结构的对比分析（见表1）

4 结论

网架结构与空间管桁架结构既有联系也存在区别。联系在于网架结构对竖向力的传力是两向或者三向的，若将连续的网架抽空变成单向连续的网格，那么结构就转化成了空间管桁架结构系统（不考虑结点差异）。网架与空间管桁架的重要区别在于其各自不同的节点构造，网架杆件靠螺栓球或焊接球连接，而空间管桁架则是相贯焊接。

网架的空间性体现在整体方面，受力特性犹如一块板，其空间性是整体的；管桁架的空间性是体现在构件层次上的。至于网架结构和空间管桁架的用钢量比较，这方面影响因素较多，比如支承条件，建筑外形，荷载大小等，需要具体问题具体分析，如建筑外形长宽比较大的建筑更加适用空间桁架结构，外形长宽比较小的建筑适合多向传力较为均匀的网架结构。

[1]杨际梅.空间网格结构施工技术与管理研究[D].天津：天津大学，2006

[2]范小平.预应力钢管混凝土连续刚构桥的结构形式研究[D].重庆：重庆交通大学,2010

[3]武鹏.缺陷对管桁架结构工况影响分析[D].西安：长安大学,2008

[4]苏锐.直接焊接方管桁架支杆计算长度系数研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005

Analysison the CharacteristicsofGrid Structureand Space Tube Truss

网架结构和空间管桁架结构作为空间网格结构的主要类型，是空间结构中应用最为广泛的结构形式，该文将对其各自的结构特点进行研究分析。

螺栓球；焊接球；相贯节点

As themain types of space grid structure,grid structure and space tube truss are themostwidely used structure types in space structure.Research and analysison thestructural characteristicsof the two typesare introduced in thispaper.

boltball;welding ball;tubular joints

TU356

A

1671-9107（2012）06-0014-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.06.014

2012-05-20

陈放（1976-），男，重庆万州人，大学本科，工程师，主要从事建筑物的检测和鉴定工作。