谢军君

【摘要】在近年来我国大跨度结构发展迅速，网架结构以其优美的建筑造型和良好的力学性能而广泛应用于大跨度结构中。针对网架结构的相关研究也比较丰富，早期由于计算机辅助设计相对落后，简化计算方法研究比较盛行，代表的计算方法有：交叉梁系差分法、拟夹层板法、假想弯矩法等[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]。也有利用网架结构设计手册进行辅助设计[12]，随着计算机技术的飞速发展，有限元软件辅助设计越来越普及，网架结构常用有限元计算软件有midasgen、3d3s、MST等，用其进行网架设计和施工图绘制都比较方便。就目前收集的论文资料来看，有的研究偏于学术，有的对单个知识点挖掘较深，有的只针对某个工程做出一些延伸讨论，得出的结论有一定局限性，系统性不强，设计覆盖面过于狭隘，针对规范[1] [2]的改版，荷载取值和材料强度都有了较大变化（如可靠度统一标准和低合金高强度结构钢，新钢规性能化设计等），原有的空间网格技术规程部分内容已滞后较多（其单方用钢量计算公式本来考虑的因素就不足）。本课题是基于网架结构正常设计流程，依据新规范，进行系统性扩展研究，利用3d3S.V14进行建模和施工成图，探究各变量和单方用钢量的内在变化规律。为后续设计施工提供有力的技术支持。

【关键词】网架结构;经濟性;影响因素;设计

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、模型概况

本文以应用最广的正放四凌锥网架为例，根据常用柱距，网格尺寸和数量构造要求，得出了大中小跨度共7组平面如图 1-1、1-2、1-3。

1.1小跨度网架<=30m

2.0*12=24m;2.5*12=30m

1.2 30<中等跨度网架<=60

2.5*15=37.5 m;3*15=45m;3.5*15=52.5 m变网格尺寸网格数量固定为15格。

1.3大跨度网架>60

3.5*18=63 m;4*18=72 m变网格尺寸网格数量固定为18格。

2、模型荷载

恒荷载按：

0.5KN/m2/：0.5=（0.3上弦+0.2下弦）;

1 KN/m2：1=（0.6上弦+0.4下弦）;

1.5 KN/m2;1.5=（1上弦+0.5下弦）

活荷载按0.5

地震作用按6、7、8度，

风荷载按0.45，屋面坡度5%，坡度较小基本为风吸力，其组合主要考虑其抗拔荷载。

温度作用按-25℃～+25℃

3、其他情况

根据网架跨高比，对跨中高度做出限制，如1/12、1/15、1/18、1/20、1/25

钢材Q235B，Q355B。

网架应力比按0.8控

网架位移按1/250控

长细比控制拉杆1/250压杆1/180

7（平面）*3（荷载）*3（烈度）*5（跨高比）*2（钢材）=630个模型

4、Q235钢跨高比对经济性的影响（单方用钢量kg/m2）

小跨度网架可见在小中荷载的情况下24m跨度和30m跨度，跨高比1 /15以内网架用钢量基本一致，结合小跨度网架控制最小杆件φ48x3.5，其占比达到总用钢量的50%左右，从杆件应力比来看多数应力比较小，表现为青蓝色区域较多，杆件未充分发挥作用，杆件应力比小于0.5以下的占比80%以上，实际为材料的浪费。建议24m跨度以内的网架，最小杆件要求可适当放宽。

此外就网架厚度来讲，小跨度中小荷载下，桁架跨高比1/18～1/20是性价比最高的，可以最大限度的增加建筑净高，且用钢量增幅不大。当荷载较小也可做到极限1/25，但其用钢量会大幅度上升，我们称斜率转折点为应力和位移控制分界点，在分界点前随着跨高比加大，杆件应力斜率较小，杆件截面增长较小，整体用钢量增幅不大，过了应力位移控制点，网架为了满足自身刚度位移要求，其杆件内力增幅非常大，导致截面增幅加大，例如图示30m跨度，大荷载，1/25跨高比情况下，由于跨度和荷载的双重作用加上网架厚度小，桁架的上下弦杆局部应力超限，如30m跨度1.5荷载情况下，1/20的跨高比，其支座杆件截面已经达到φ325x20，若再增大跨高比，杆件可选截面超出截面库的最大截面导致桁架设计已经不合理。

中等跨度网架30～45m跨度，在荷载较小的情况下，1/18的跨高比仍然是比较合理的，图中37.5m跨和45m跨甚至出现了交集，所以应力比较小的情况下，相同的跨高比大跨度不一定会比小跨度网架单方用钢量大。其他影响因素如支座情况，网格情况，网架类型等，本文未列入考虑因素。荷载加大后，网架高度宜取1/12～1/15，当荷载进一步加大后，网架高度限制在1/12左右比较合理，而45～60m跨度网架，特别是50左右的跨度，荷载较大情况下Q235钢强度不够，杆件截面过大，只有将跨高比限制在1/12以内才能实现。

大跨度网架在荷载特别小的情况下，跨高比宜控制在1/12以内方可实现，一般情况下大跨度网架不建议采用Q235。

钢材强度提高后和Q235相比1/25大中小荷载都能实现，但用钢量还是有较大增长的，合理跨高比控制在1/20比较合适。当跨高比1/15时小荷载存在波谷的情况，即Q345、小荷载、小跨度桁架，1/15可以做到最经济的，在极限跨高比下小跨度的网架用钢量对荷载更为敏感。

中等跨度网架小荷载情况下，q345、极限跨高比情况下会发挥作用，能够让跨度大些的网架更加经济，中等荷载下跨高比1/18情况下较大跨度反而比小跨度经济，大荷载下这个跨高比变成了1/15.综合来看中等荷载中等跨度网架只有在跨高比突破1/20的情况下才是位移控制，而大荷载45m跨度下这个应力转择点提前到1/15。

45～60m跨度网架，无论大中小荷载，极值点都在1/15，可见此类跨度经济跨高比优选1/15，跨高比突破1/15时，用钢量会经历双折线上升。52.5m跨度比45m跨度用钢量增长幅度要小些。荷载和跨度都较大时，1/20也成了Q345的极限跨高比。

大跨度网架一般跨度大，荷载取值也比较大，其适用跨高比就比较局促了，一般情况下宜采用1/12～1/15是比较合理的，跨度再大一些，双层网架的刚度较弱压杆长细比过大，双层网架这类结构形式无论整体稳定性还是局部稳定性来讲，都不再适合。

研究结论：

本文通过对实际工程的提炼，结合本文前几章的构造和荷载计算要求提出了630个理论模型进行计算和施工成图，计算结果经过分析得出了单方用钢量和跨高比，钢材型号，荷载，设防烈度等之间的内在规律。

Q235钢不宜用于大跨度网架，中等跨度网架30～45m跨，使用时宜将跨高比控制在1/18，45～60m跨度宜將跨高比控制在1/15。

小跨度网架可采用Q235，荷载较小的简易屋面跨高比可达到1/25，其余情况宜控制在1/20，1/15～1/18是性价比较高的跨高比范围，24m跨度以内的小跨度网架，若按最小杆件φ48x3.5控制，多数杆件应力比较小，建议可适当放宽最小杆件要求。

Q355钢强度较高，可用于大跨网架，跨度60～72m，其合理跨高比1/12～1/15，当荷载较小时也可达到1/20，跨度更大时，宜缩小跨高比，考虑到结构的整体稳定性和杆件的长细比等影响因素，宜采用三层及以上的网架。

Q355用于中等跨度网架时，经济跨高比为1/15，合理跨高比1/12～1/20，小荷载情况下可达1/25。

小跨度网架宜采用Q355，经济跨高比同样是1/15，可选跨高比范围较大，一般可取1/12～1/25，其中跨高比1/12～1/20用钢量波动不大在20%以内，跨高比1/20～1/25时用钢量增幅会达到50%。

参考文献：

[1]低合金高强度结构钢GBT1591-2018[S].京：中国建筑工业出版社，2018

[2]建筑结构可靠性设计统一标准 GB 50068-2018[S].京：中国建筑工业出版社，2018

[3]杜文风.网架网壳结构设计[M].北京：中国电力出版社，2012

[4]龙全.运用栅格法实现任意多边形平板网架的快速建模及异型网架方案优化研究[D].北京建筑大学，2014.

[5]刘辰，张作运.60 m跨钢结构厂房结构设计[J].工业建筑. 2008.（S1）

[6]许琪楼，周鉴清.30m×36m平板网架设计分析比较[J].郑州工学院学报，第1期1985年

[7]宋俊杰.大、中跨度风雨操场屋面网架结构的选型及优化设计[J].甘肃科技，第35卷第4期2019年2月.

[8]龚兵.大跨屋面钢网架结构优化设计[J].福建建筑，第03期，2016 年.

[9]许振刚，周敏辉，欧旻韬.河源大剧场支座布置对用钢量的影响[J].广东土木与建筑，2015（06）

[10]刘贵红.网架结构的最优设计参数研究[J].中州煤炭，2010年第6期

[11]冯瑛.网架结构优化设计分析[D].西安建筑科技大学.2008.12.

[12]汪一骏，张志平，冯东.网架结构设计手册 [M].北京：中国建筑工业出版社 1998

[13]黄勇，吴婧.造船工业厂房屋盖网架经济性分析[J].建筑结构，2010，S1

[14]空间网格结构技术规程GJ7-2010[S].京：中国建筑工业出版社，2010.

[15]苗丽丽.大跨复杂钢结构的设计与施工技术研究[D].太原理工大学 2010

[16]蒋斌，倪建公.大跨度三心圆柱面网壳结构设计与研究[D].空间结构，第21卷，第3期.

[17]李新坤.遗传算法及其在网架结构优化中的应用研究[D].西安理工大学，2011

[18]王秀丽.大跨度空间结构[M].北京：化学工业出版社，2017

[19]杜文风.空间结构[M].北京：中国电力出版社，2020

[20]门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2015[S].京：中国建筑工业出版社，2015