圆形网架的优化设计

 网架结构在大跨度空间结构中的应用日益普遍。近年来兴建的大型公共建筑特别是体育建筑中，大多数都采用了网架结构。其中圆形网架结构又相对较为复杂，笔者因此针对这些问题对圆形网架结构的优化设计进行了分析，以期节约材料、降低造价，打造绿色环保低碳的建筑。

　　1、结构布置

　　(1)跨度的分类：

　　大-60m以上

　　中-30~60m

　　小-30m以下

　　(2)最优跨高比：

　　砼屋面：1/10~1/14

　　轻屋面：1/13~1/18

　　(3)网格尺寸与跨度关系

　　(4)相邻杆件最小夹角：30°(可使用3D3S-显示查询-最小夹角查询-框选全部，即可得到)

　　(5)支承方式：

　　网架结构一般采用上弦支承方式。当建筑功能有要求时，可采用下弦支承，应在支座边形成竖直或倾斜的边桁架，以保证网架的几何不变性，并有效传递竖向和水平荷载。

　　(6)水平支撑

　　当采用两向正交正放网架，应沿网架周边网格设置封闭的水平支撑。

　　原因如下：

　　两向正交正放网架刚对较小，为保证各榀网架平面外的稳定性及有效传递与分配作用于屋盖结构的风荷载等水平荷载，应沿网架上弦周边网格设置封闭的水平支撑，对于大跨度或下弦支承时应沿下弦周边网格设置封闭的水平支撑。

　　2、荷载计算

　　(1)恒、活荷载

　　恒载主要考虑上铺檩条，吊挂，马道等。

　　活载按照屋面荷载取值，特别要注意大型公建可能还会有转换层(网架高度大于1.5m，一般设置)，此时还要额外考虑一般0.3KN/㎡的活载，具体情况还要看专业提资。马道活载也要予以考虑。同时对于不规则网架，要重点核查马道的布置是否满足净高要求，若不满足可以调整位置或结合转换层采用下挂方式。

　　(2)风荷载

　　依照荷载规范取值。要注意有挑檐的屋盖结构，其挑檐部分的体型系数μs依照《荷规》8.3.3-2条取值-2。但要注意，其加载面应根据自己的选择相应判断，如下图：

　　若挑檐风荷载加在AB面则体型系数μs为-2，若加在AC面则为风压力，即μs为2。与此同时，半圆的另一侧可在对称的AC位置取-0.3。

　　(3)地震作用

　　对于周边落地的空间网格结构，阻尼比取0.02;对于设有混凝土支承的空间网格结构，阻尼比取0.03。

　　(4)温度作用

　　A、温度作用的取值

　　依据《荷规》

　　对结构最大温升的工况，均匀温度作用标准值按下式计算：ΔTk=Ts,max-T0,min (9.3.1-1)

　　式中： ΔTk——均匀温度作用标准值(℃);

　　Ts,max——结构最高平均温度(℃);

　　T0,min——结构最低初始平均温度(℃)。

　　对结构最大温降的工况，均匀温度作用标准值按下式计算：ΔTk=Ts,min-T0,max (9.3.1-2)

　　式中： Ts,min——结构最低平均温度(℃);

　　T0,max——结构最高初始平均温度(℃)。

　　其中结构初始温度的确定：

　　(1)结构初始温度按照结构的合拢温度和形成约束的时间确定;

　　(2)混凝土结构的初始温度一般取后浇带封闭时的月平均气温;

　　(3)钢结构的初始温度一般取合拢时的日平均气温，并应考虑日照的影响;结构的初始温度(合拢温度)通常是一个区间值，应保证在一年内大部分时间内结构都可以合拢，来保证施工的可行性。如北京，10~25度，可以保证一年内大部分时间内结构都可以合拢。

　　B、可不计算温度作用的情况

　　支座节点的构造允许网架侧移，且允许侧移值大于或等于网架结构的温度变形值;

　　网架周边支承，网架验算方向跨度小度40m，且支承结构为独立柱(即没有梁拉结的柱);

　　在单位力作用下，柱顶位移大于或等于计算公式

　　《空间网格结构技术规程JGJ7-2010》4.2.4)的计算值。也可按照条文说明通过查看应力图判定支承平面弦杆跨中区域温度应力最大值与0.038f(f为抗拉强度设计值)的大小来判定是否考虑温度作用。

　　C、温度应力分布特点：边缘大，中间小。对支座影响明显。

　　3、计算指标

　　(1)挠度容许值

　　屋盖结构(短向跨度)-1/250

　　楼盖结构(短向跨度)-1/300

　　悬挑结构(悬挑跨度)-1/125

　　(2)容许长细比【λ】

　　压杆 180

　　拉杆 一般杆件 300

　　支座附加杆件 250

　　直接承受动力荷载杆件 250

　　4、结构建模

　　网架部分：3D3S、PKPM网架模块、MST等。

　　现对3D3S网架计算使用技巧及注意事项说明如下：

　　A、施加荷载完毕后一定记得依次进行”生成导荷载封闭面“、”自动导荷载“两项操作。

　　B、节点设计时记得定义基准孔径方向，一般上弦向上(即为默认值，可不比重新定义)，可利用该孔安装灯具等设施;下弦一般向下，可利用该空安装吊顶或灯具等，下弦需要认为定义修改。框选下弦杆件，vector，默认值即可。

　　C、节点设计中常常出现螺栓球不满足要求，自动进行其余节点的焊接球设计的弹窗。球库过小，可认为增加球库尺寸。同理，锥头库等也可自定义添加。具体要添加的数据可联系厂家解决或多积累相关图纸。

　　5、模型总装【为考虑荷载组合的多样性，可制定统一模板，如包含中震，大震，温度等各种组合。以后模型导入时可以基于该模板进行导入】

　　(1)SAP2000总装

　　A.可通过盈建科中转将下部砼模型导成s2k文件。在SAP2000的模板文件中导入s2k文件，将相应荷载模式等修改为统一名称。同时，对柱顶支座处可设置高500mm，直径600mm，壁厚25mm的圆钢管模拟支座。

　　B.3d3s文件导出成s2k文件，目前该s2k文件仅能导入到V14版本的SAP2000中，保存sdb文件，可在V15版本中打开。同样在模板文件中导入，并修改荷载名称。

　　C.在已经处理好的下部砼SAP模型中，导入s2k文件，导入到现有模型。通过移动点将模型拼装。要注意为避免出现导入后的两部分重叠，可先将网架部分的模型移动到较远处。

　　D.合并后的模型，要注意网格剖分，形成边束缚等操作。同时，JYK导入的模型自带了框架梁的修正属性-中梁刚度放大系数。若使用壳单元计算，要记得将其属性修改项改为1。此外钢网架在3d3s计算中有考虑螺栓球自重所占的百分比，如30%。导入SAP2000后要将相应杆件的质量属性修改为如1.3等数值。

　　(2)GEN模型总装

　　A、打开砼模型文件，"文件“-”合并数据文件“可以将砼部分与钢结构部分合并到一起。但合并过来的钢结构部分不含荷载、边界条件。因此把钢结构部分按照导入时的提示编号进行重新编号。

　　B、导出mgt

　　C、找到荷载及边界条件的命令行

　　D、打开”工具“-”mgt命令窗口“，粘贴相应荷载及边界条件，运行。

　　6、挑檐附属结构的计算

　　如图，重庆市某县城火车站网架最初的挑檐设计如图A所示，杆件用钢量约为31t。采用图B方式时，钢件用钢量约为26t。且在用图A所示方式时，悬挑部分螺栓球较大，用到了直径400的球。而采用图B，螺栓球最大直径280。

圆形网架深化设计球形节点布置图