某体育馆网架结构设计要点

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空间网架结构是空间网格结构的一种,它是由大致相同的格子或尺寸较小的单元组成的.一般,人们将平板型的空间网格结构简称平板网架.20世纪90年代以来网架结构发展很快,在空间结构中应用最广.近年来兴建的大型公共建筑,特别是体育建筑屋盖中,大多数采用了网架结构.同时网架结构在工程中的应用具有以下优点：空间工作,传力途径简捷、重量轻,经济指标好、刚度大,抗震性能好、施工安装简便、网架杆件和节点定型化、商品化生产、网架的平面布置灵活.

1体育馆网架结构设计要点

体育管中采用网架结构应进行在外荷载作用下的内力、位移计算,并应根据具体情况,对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的内力、位移进行计算.

1）内力计算基本假定.①节点为铰接,杆件只承受轴向力；②按小挠度理论计算；③按弹性方法分析.

2）网架结构的外荷载按静力等效原则,作用在该节点上.当杆件上作用有局部荷载时,应另考虑受弯的影响.

3）网架结构主要计算方法（网架规程中推荐方法）.①空间桁架位移法.适用于各种类型、各种支承条件的网架计算；②交叉梁系差分法.跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架的计算；③拟夹层板法.用于跨度在40m以下的由平面桁架系或角锥体组成的网架的计算；④假想弯矩法.用于斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架的估算.

4）抗震设计的一般原则.①两个主轴方向分别计算水平地震作用,各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担；②有斜交抗侧力构件的结构,交角大于150时,应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用；③8、9度抗震设防时的大跨度和长悬臂结构,应计算竖向地震作用.

5）其他设计原则.①支座节点的构造情况,分别假定为二向可侧移、一向可侧移、无侧移的铰接支座或弹性支承；②网架结构的容许挠度：屋盖≤12/250,楼层≤12/300.

2工程实例分析

2.1工程概况

某体育馆网架结构,建筑面积为1 ,800m2（40m×45m）,采用斜放四角锥网架.屋盖下部为框架结构,网架周边支承在钢筋混凝土框架梁上,梁横截面宽度为350mm.网架上弦节点加小立柱,沿短跨方向形成6%的排水坡度,在小立柱上沿长跨方向搭设檩条,檩条上铺设彩钢夹芯板,并采用聚苯夹芯保温.防火等级和耐久等级均为二级,抗震设防烈度为7度.

2.2结构选型及初步设计

1）网架结构的选型.网架结构选型应遵循安全、经济、美观的设计原则,能够满足建筑的使用功能要求,并且能够充分发挥结构良好的受力性能.本工程中,网架的长短边之比45/40等于1.125,其平面接近方形,且支承方式为周边支承,通过满应力优化设计比较,宜选择斜放四角锥网架.

斜放四角锥网架的上弦与边界轴线成450夹角,下弦正放,腹杆和下弦在同一垂直面内.这种网架的上弦杆长度约为下弦杆的0.707倍,故呈短压杆、长拉杆的情况,受力合理,节点汇交杆也较少.在接近正方形周边支承时用钢量指标较好,适用于中小跨度建筑.

2）网格尺寸和网架高度.根据数值计算和工程经验,当网架短向跨度为L2等于（30～60）m时,短向网格尺寸宜取为（1/11～1/14）×L2.考虑屋面板布置,短向网格数取为12,网格尺寸为40/12等于3.333m.网架长向跨度较大,网格数划分应当比短跨方向多些,且网格尺寸宜比短向小些.考虑以上因素,长向网格数取为14,网格尺寸为45/14等于3.214m.当网架短向跨度为L2等于（30～60）m时,网格高度宜取为（1/12～1/15）×L2,周边支承时高度可以取小值；对于角锥体系网架,高度的选取还应满足使腹杆与弦杆的夹角接近60度的要求.综合考虑以上因素,网格高度预先取为40/15等于2.7m,当结构计算不满足挠度要求时,再适当加大网格高度.

3）网架结构的支承.本网架采用周边支承方式,所有边界节点都支承在框架梁上.框架梁的横截面尺寸为350mm×600mm,混凝土强度等级为C30.在网架边界的每个节点上都加上竖向约束（Z）,为了防止网架在平面内转动,还要加水平约束.本网架中在长跨其中一边的两端点分别加上两向水平约束（x,y）和一向水平约束（y）.

4）网架的屋面排水.本网架采用在上弦节点上加小立柱形成排水坡的方法.沿短跨方向形成双坡自由排水系统,排水坡度为6%.

3网架结构的杆件设计

3.1杆件材料与截面形式

目前,国内的大多数网架所采用的材料均为钢材.《钢结构设计规范》所推荐的为Q235和Q345钢.对于中小跨度网架,一般多选用Q235钢.网架杆件的截面形式有很多,其中圆钢管因其具有回转半径大、截面特性无方向性、抗压承载力高等特点而成为最常用的截面.本工程中,网架杆件材料选用Q235钢,截面形式采用高频焊接圆钢管.

3.2网架杆件的计算长度

确定网架杆件的长细比时,其计算长度可按表1采用.

3.3网架杆件的容许长细比

网架杆件的长细比按下式计算：λ等于l0/i≤[λ],式中：l0-杆件的计算长度；i-杆件的最小回转半径；[λ]-杆件的容许长细比.

3.4网架杆件的最小截面尺寸

杆件截面过小,容易产生对受力不利的初弯曲,因此需限制杆件的最小尺寸.普通型钢不宜小于L50×3,圆钢管不宜小于φ48×2.此外,为便于施焊和防腐要求,圆钢管的壁厚不宜太薄,一般不小于2mm.

3.5杆件截面的计算与选择

杆件的截面计算应满足承载力与稳定性的要求.按杆件的内力大小选定满足承载力要求的杆件,网架杆件的选用情况如下：上弦杆48×3.5、60×3.5、75.5×3.75、88.5×4、114×4；腹杆48×3.5、60×3.5、60×3.5、88.5×4；下弦杆60×3.5、75.5×3.75、88.5×4、114×4、127×4.

4网架结构的节点设计

4.1节点类型的选择

网架的节点形式采用焊接空心球,这种节点构造和制造均较简单,球体外形美观、具有万向性,可以连接任意方向的杆件.它用于连接圆钢管杆件,连接时只需将钢管正截面切断,然后使管与球间按等间隙焊接,即可达到圆钢管与球节点自然对中的目的.当球体的承载力不够时,可以在两半球的对焊处增加肋板,以提高节点承载力.

4.2球体承载力验算

利用MST对网架节点进行计算,所选用的焊接空心球规格有4种类型,分别为WS160×6、WS200×8、WS220×8、WS280×8,下面对各种规格球节点分别与不同杆件相连时的承载力进行验算.计算结果均

满足.

4.3球体直径验算

实心球球径的大小应该能在球的表面排列所连接的全部钢管.为了便于施焊,以及使母材不致过热,同一节点上的各杆件之间的间隙不宜小于10mm.据此条件可验算球节点直径均满足要求.为使支座顶杆与腹杆之间满足间隙要求,支座节点球的直径要大一些.

5结论

文章从分析网架结构的优势出发,通过结合某体育馆网架结构设计实例,分析网架结构中杆件设计、节点设计等重要设计环节思路以及方法,总结了一些可行的设计方法,有效地为同类工程提供参考.