徐 梁 杰

(济南市规划设计研究院，山东 济南 250101)

风雨操场网架屋面的选型与优化设计

徐 梁 杰

(济南市规划设计研究院，山东 济南 250101)

通过对风雨操场屋面网架实际案例中的几种方案的比较与分析，针对常用的中小型矩形屋面结构的选型和设计过程提出了几点建议，相应的方法和设计过程可以运用到网架的选型和设计过程中。

风雨操场屋面，矩形网架，正放四角锥结构

1 网架结构选型的考虑因素

网架形式对于网架结构的技术经济指标、制作安装和施工进度控制都有直接的影响。影响网架结构选型的因素有很多，但从原则上讲，选用的网架类型除经济最优外，还应做到节点最少、网格最大，从而使杆件截面更有效的发挥作用，同时也使网架采光更通透，造型简洁大方；但还要受到构件种类与围护结构构造的限制。因此，必须根据经济和实用的原则，综合考虑各种因素条件，才能确定最佳网架形式。

2 风雨操场屋面网架结构设计实例

2.1 工程背景

本工程为济南市某学校风雨操场。地下1层，地上2层，其中顶层为风雨操场。网架覆盖面积沿长度方向36 m，沿宽度方向24 m，柱距6.0 m，采用上弦平面周边支承方式。建筑平面图如图1所示。

2.2 设计过程

2.2.1 选型分析

对于边长比不大于1.5及平面形状为方形或接近方形的网架，结构呈双向受力状态，此时可选用的网架方案类型很多。其中正放四角锥网架空间刚度最大，受力比较均匀，构件布置简单，有利于定型化生产，屋面杆件规格少，使用广泛；棋盘型四角锥网架、正放抽空四角锥网架，抽空可减少杆件与节点数量，能充分发挥杆件截面的作用，受力合理，节省用钢量，但会降低结构的整体刚度与超静定次数。本工程将对上述三种形式网架方案进行设计对比分析。

网格尺寸的确定：根据网格尺寸与跨度的经济比例(1/12～1/16)L2(L2为网架短向跨度)，并考虑屋面荷载与节点形式的影响。网格尺寸不宜过大，应结合屋面板种类及材料荷载确定，并考虑支承点的布置尺寸，一般小型网架以不超过3 m为宜，否则杆件交汇的角度过小，施工困难。本例中按照3.0 m×2.67 m设计，这样长度方向为12个网格，宽度方向为9个网格，标准斜杆的长度为2.7 m，空间夹角为57.7°。

网格高度的确定：高度与网架的跨度、荷载大小、节点形式、平面形状、支承情况，以及排水坡度设置等因素有关。一般情况下可对于混凝土屋面高跨比取1/10～1/15，钢檩条屋面高跨比取1/13～1/18。本工程A，B，C三种方案均按照网格厚度为1.9 m考虑，并增加一种按简支梁弯矩图形曲线拟合的上弦起坡的Aa方案，端部网格厚度取最小值1.4 m，跨中网格厚度取最大值2.4 m。

结构分析参数如下：

1)材料：所有钢管、支座及节点板均采用Q235B钢。杆件最小截面为φ48×3.5。连接节点采用螺栓球节点。

2)强度控制：设计应力及允许长细比：

f=0.95×215=204 N/mm2(Q235B)，最大应力比不大于0.95。

[λ]压=180；[λ]拉=200，对于低应力小规格的受拉杆件按受压杆件控制长细比。

3)挠度控制：按照规范《空间网架结构设计技术规程》，主体网架结构挠度控制在L/250。

4)构件计算长度系数：采用螺栓球节点，长度系数均取1.0。

2.2.2 建立模型

模型的建立有多种方式。对于较为规整的结构，可直接在计算程序辅助建模中生成分析模型。对于下部支撑结构布置不规则，或者平面造型变化的网架结构，建议利用AutoCAD强大的三维功能，进行手工建模。本工程三种不同体系，四种方案的模型平、立面布置图如图2～图6所示。

2.2.3 设计荷载与有关参数

本工程设计使用年限为50年，荷载取值按50年一遇考虑。

1)恒荷载。

上弦层：本工程屋面板采用钢桁架轻型复合板，上部做卷材防水层及水泥砂浆找平层，取均布荷载为2.5 kN/m2。

下弦层：灯具及管道吊挂荷载假定为均布荷载0.2 kN/m2。

网架自重：程序自动生成，螺栓球自重按构件自重的30%考虑。

2)活荷载。

上弦层：非上人屋面均布活荷载0.5 kN/m2(本地区屋面雪荷载为0.30 kN/m2。与活荷载不同时，考虑取大值)。

3)风荷载。

基本风压按本地区考虑为0.45 kN/m2。地面粗糙度为B类，风压高度系数取网架顶面高度位置，为μz=1.13。风荷载体型统一取μs=Rc=-1.2。风振系数由程序自动计算，取1.37。

4)温度差。

根据当地气象资料，保守考虑施工与使用阶段±30 ℃的温度变化。

5)地震作用。

本地区为6度设防区域，对于周边支承的中小跨度网架可不进行竖向与水平地震作用的计算。

6)荷载组合。

计算中考虑恒荷载的有利作用，并按下列荷载工况进行组合：

组合1:1.35×恒荷载+1.4×0.7×活荷载。

组合2:1.2×恒荷载+1.4×活荷载。

组合3：1.2×恒荷载+1.4×温度作用1(+30)。

组合4：1.2×恒荷载+1.4×温度作用2(-30)。

组合5：1.2×恒荷载+1.4×活荷载+0.84×温度作用1(+30)。

组合6：1.2×恒荷载+1.4×活荷载+0.84×温度作用2(-30)。

组合7：1.2×恒荷载+1.4×活荷载+1.4×0.6×风荷载。

组合8：0.9×恒荷载+1.4×风荷载。

组合9：0.9×恒荷载+1.4×风荷载+0.84×温度作用1(+30)。

组合10：0.9×恒荷载+1.4×风荷载+0.84×温度作用2(-30)。

7)支座假定。

在一般的支座设计中，常用的包括：固定铰支座，单向滑动铰支座，双向滑动铰支座，弹性支座以及橡胶支座等。支座的假定需要根据下部支承结构的刚度条件进行判断，或者对下部支承部分的刚度进行计算并输入支座的刚度值，或者假定几种不同刚度的弹性约束方式，并在每种刚度下对结构进行分析，根据结果来考察支座对结构性能的影响，从而对支承部分的刚度提出限定的要求。本工程考虑柱顶连系梁的作用，四边采用单向滑动支座，四角采用固定铰支座进行设计。

8)设计规范。

按照现行JGJ 7—2010空间网格结构技术规程进行设计。

9)计算分析及设计软件较为通用的包括MSTCAD，3D3S，SFCAD等，各软件的操作步骤均按照建模→参数设置→荷载布置→结构分析→构件设计与优化→施工图生成的标准顺序。本工程采用3D3S进行结构的辅助建模分析与设计出图。过程从略。

2.3 设计结果对比分析

各方案经设计与方案优化后，结果各项数值如表1所示。

表1 矩形网架方案设计结果对比表

1)对于边长比为1.5的小型矩形截面，双向传力路径长度不再均匀一致，传力过程与正方形网架结构形式有所区别，主体结构材料用量与挠度的差别已经不再明显。

2)从构件长度与数量来看，棋盘型四角锥与正放抽空四角锥网架仍然具有较明显的优势，构件制作、运输、拼装与吊装以及后期的维护费用相对较为有利。但由于构件尺寸较大，因构造要求螺栓球型号也变大，辅材用钢量反而起控制作用。

3)正常情况下，构件的规格级差与种类数量的因素，也是实际工程中不可忽视的问题。在软件设计优化中，采用到的规格相对较多，但工程设计中对于个别零星的构件仍然需要进行手工并归，对总体耗钢量也有明显的增加，在设计阶段也应综合考虑。

3 结语

通过对风雨操场屋面网架的实际案例方案的探讨，对中小型周边支承网架结构中几种常用的布置形式与设计过程进行了论述，并对设计结果中影响最终造价的内容项进行了对比分析。设计人员可以根据具体情况在设计过程中予以综合考虑，也有必要进行深入的研究。

[1] JGJ 7—2010，空间网格结构设计规程[S].

[2] 赵鹏飞.空间网格结构技术规程理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 董石麟，罗尧治，赵 阳.新型空间分析、设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2006.

[4] 杜文峰.网架、网壳结构设计实例与解析[M].北京：中国电力出版社,2012.

On type selection and optimal design for rack roofing of stormproof playground

Xu Liangjie

(JinanPlanningandDesignInstitute,Jinan250101,China)

According to the comparison and analysis of some schemes in the cases of the rack roofing of stormproof playground, the paper points out some suggestions for the type selection and design process of common middle and small rectangular roof structures, and indicates the respective methods and design process can be adopted in the type selection and design process of the rack.

roof of stormproof playground, rectangular rack, pyramid space truss

2015-04-26

徐梁杰(1982- )，男，工程师，一级注册结构工程师

1009-6825(2015)19-0027-03

TU318

A