大跨度空间结构中的钢网架结构设计分析

大跨度空间结构中的钢网架结构设计分析
发表时间：2019-11-15T16:04:56.187Z 来源：《建筑细部》2019年第12期作者：苏海丽[导读] 近些年，在社会发展的影响下，我国的城市建筑技术快速进步，以及人们生活空间需求的增大，城市建设中超大型复杂结构的建筑物不断涌现，钢结构有多方面的优势，在此类建筑中广泛运用。

苏海丽
华电重工股份有限公司北京 100070
摘要：近些年，在社会发展的影响下，我国的城市建筑技术快速进步，以及人们生活空间需求的增大，城市建设中超大型复杂结构的建筑物不断涌现，钢结构有多方面的优势，在此类建筑中广泛运用。

文章分析了大跨度空间钢网架结构的设计要点，供业内人士参考。

关键词：大跨度；钢网架结构；设计
引言
近些年来，钢网架结构设计在我国的空间结构设计中得到了广泛的应用，主要是因为自身重量较强，实际安装操作比较简便，受力传递比较合理，具有较强的刚度以及抗震性，所以设计师可以利用这些优点，根据自己的想象进行自由创作，为其提供了丰富的创作空间，可以将自己的想法充分的展现在建筑结构设计中。

在建筑平面设计方面，可以适用圆形、矩形、多边形等多种形状，在外形上可以形成椭圆面、球面以及旋转抛物面等各种形式，所以能够展现出良好的外观。

因为钢网架的杆件以及节点能够进行定型化，所以可在工厂中进行批量的定制，实施工业化生产，可有效的提高施工效率，节约施工成本。

在实际设计的过程中，还需要根据建筑的用途以及周围环境进行合理构思，在保证各项技术参数合理的情况下，还要考虑到经济性，从而达到最高的性价比。

1钢网架结构的选型
钢网架结构是使用比较普遍的一种大跨度屋顶结构。

这种结构整体性强，稳定性好，空间刚度大，防震性能好。

网构架高度较小，能利用较小杆形构件拼装成大跨度的建筑，有效地利用建筑空间。

适合工业化生产的大跨度网架结构，外形可分为平板型网架和壳形网架两类，能适应圆形、方形、多边形等多种平面形状。

平板型网架多为双层，壳形网架有单层和双层之分，并有单曲线、双曲线等屋顶形式。

钢网架结构较为复杂，需要进行科学的选型，才能确认整体结构。

钢网架结构是空间铰接杆系结构，一定要全面考虑到整体结构在力学上的问题，确保结构更加稳定。

按现行标准要求，网架结构设计要满足受力需要，对外部压力、受力方向要严格遵守设计要点，保证在受到任何外力作用下，网架结构均稳定平衡，不发生几何变形问题，实现结构整体的安全性。

要想从根本上确保网架结构稳定，就需要对网架结构做合理的选型，合理的选型结构直接关系到整体结构，所以要根据实际情况确定选型，保证安全稳定。

选型时，一要全面考虑几何问题，因为结构几何不确定则会出现更多的可变量，影响到结构稳定。

在实际施工过程中，网架结构样式非常多，要根据使用功能、所处区域特征做好选型，在具体选择时，要看建筑平面、尺寸、荷载、网架、安装及成本，做好全面选择，以经济性原则为出发点，从几个设计方案中择优选择一个设计思路。

在选型时，要全方位考虑，一是看用钢量多少，用钢量是主要考虑的方向，要在经济性原则基础上，确保用量最少，材料最少；二是连接节点造价，杆件与节点连接部位造价也要保证安全的前提下，成本最低；三是安装费用，各种材料运输和安装费用也关系到经济效益，所以要综合考虑各项经济指标。

通过实践证明，选型最好的结构是三角锥网格和四角锥网格，按这种几何单元确定的网架结构非常稳定，是施工中经常用到的几何单元形式，能够保证各个结构单元上的稳固，具有不变性的明显特点。

2大跨度钢网架结构的设计要点
大跨度钢网架结构的荷载形式应被重点关注，设计时应全面考虑荷载类型，荷载类型则主要包含永久荷载、可变荷载、偶然荷载三个方面。

设计取值时，永久荷载应采用标准值作为代表值；可变荷载则根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；偶然荷载，是按照设计的建筑结构使用的特点确定其代表值。

下面就这几种荷载类型做具体说明。

2.1永久荷载
大跨度钢网架结构在设计时，永久荷载包含网架结构的自重、檩条的自重以及屋面覆盖材料的自重。

网架结构的自重计算可由计算机自动完成，屋面覆盖材料的自重计算可由计算机自动完成或采用经验公式计算得出，檩条的自重根据檩距、拉条及撑杆的布置进行计算。

屋面覆盖材料通常是指防水层、屋面板、屋面保温层等所有上盖材料的自重总和，此外，检修马道、屋内吊顶或设备管道等装修构造，则按实际情况计算。

2.2可变荷载
（1）屋面活荷载。

根据《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）相关规定，屋面活荷载一般按屋面的水平投影面计算。

对不上人的大跨度钢网架结构屋面，屋面活荷载标准值采用0.5kN/m2，但当施工或维修荷载较大时，应按实际情况设计取值，或在维修施工中采取特殊措施。

（2）雪荷载。

屋面雪荷载取值主要考虑屋面几何形状、朝向和风向等相关要素。

屋面雪荷载通常小于基本雪压，但有时也会产生积雪，如双跨或多跨曲面屋顶的交接处等，此时应该考虑雪荷载不均匀分布的情况。

（3）风荷载。

当建筑周围的空气流动受到建筑物的阻挡时，就会在建筑物表面的方向形成吸力或压力，这些吸力或压力即设计时须考虑的建筑物所受的风荷载。

由于风的特性，使得风荷载取值设计时须考虑风的静力和动力作用的双重特点。

对风敏感的或大跨度（大于60m）的柔性屋盖结构，须考虑风压脉动对大跨度钢网架结构屋盖产生风振的影响。

这种情况须先进行风洞试验，根据结果按随机振动理论计算确定风荷载取值。

3钢网架结构设计方法
3.1网架结构杆件设计
钢网架是网架结构设计中比较常用的一种形式，主要以Q235和Q345钢材较多。

这两种钢材具有很好的力学性能，并且焊接性能较佳，具有很强的稳定性，所以应用范围较广。

作为钢网架结构中的杆件，其截面形式有很多种，其中的空腹载面较好，包括圆钢管和方钢管，这两种截面形式在各向惯性矩方面都较强，易于承受一定的外力作用。

在空腹截面焊接封闭后，内部不易受到腐蚀，并且在表面不易积水积灰，所以防腐性能较佳，也是应用比较广泛的原因。

3.2网架结构节点构造设计
节点构造设计非常重要，直接关系到整体结构的稳定程度，是钢网架结构设计中最关键的部位，这主要是因为所有杆件均要通过节点，利用节点对各部位进行连接，结构中的节点受力最大，是传递荷载、承受作用力最大的关键部位，只有全面做好节点设计，才能确保结构整体上的稳定。

节点设计非常重要，要全方位考虑应力和传力特性的问题，处理好受力承载点，要从结构造型上充分考量，做好受力点的计算与选择，使节点更加精准可靠，保证受力均匀稳定。

在进行设计选择时，更要考虑到后期制作、安装、施工和造价等因素，只有全面考虑才能保证工程整体的施工方案更加科学合理。

从实际操作上看，网架结构节点主要由杆件节点和支座节点两大类构成，不论哪类设计，均要考虑到构造受力传力问题，确保可靠、简单、方便。

3.3网架结构设计注意事项
在钢网架结构设计中，需要注意的关键点首先是方案的可行性，只有确保整体结构的稳定性，对各个细节进行精确的计算，才能够考虑到造型等方面的设计。

所以应该根据建筑的使用用途以及造型方案对各个受力点进行合理布置，在什么位置布设，采用何种方法，都需要考虑到方案的可行性。

其次，要从安装的方面考虑，在受力合理的基础上，安装操作要简便，为结构的稳定性提供基础的保障，对于网架的单位含钢量也要进行分析。

最后，在保证结构稳定性以及安装便利性的基础上，要考虑工程造价的经济性，从而确保整体工程结构方案的最优化。

结语
大跨度空间结构在未来城市化发展中，特别是在大型体育场馆、博览中心、机场、火车站等，各种新型的大跨度空间结构应用十分常见，优美的造型及完美的结构不仅给社会发展和人民生活带来便利，也无不展示着建筑科学技术的高水平。

未来大跨度空间结构设计过程及方案选择中，还需不断创新并高度重视结构安全、实用、外观优美，不断为城市建设添彩。

参考文献：
[1]金志强，孟根宝力高，李艳楠.异形单层钢网架结构设计[J].钢结构，2012.
[2]潘登，王旭松，刘建涛，等.某大跨度种植屋面网架结构设计[J].建筑结构，2018（S2）：493-497.。