网架结构的设计要点探讨

李江

中铁第五勘察设计院集团有限公司乌鲁木齐分院 新疆乌鲁木齐 830000

摘要：在我国现代建筑行业快速持续稳定发展的历史背景之下，网架结构作为一种建筑造型美观，经济指标优良的结构形式，已被广泛应用于工业及民用建筑领域，并在我国现代建筑工程项目展示出了持续扩大的趋势。因此结构设计中了掌握网架结构设计要点非常必要。

关键词：网架结构；杆件；节点

前言：网架结构是现代空间结构中广为应用的一种重要形式。现代社会中，由于科学技术的进步，社会生活的丰富，对建筑结构的跨度也提出了新的要求。如在体育建筑中，为容纳更多观众和适应大型比赛的需求，要求大跨度的体育馆；在工业厂房中，为满足工艺改革的需要，也要求建造大柱网的联合车间等等。为适应这些需求，空间结构在各类大跨度建筑中得到了越来越多的应用。

一、网架结构的几何尺寸

网架结构的几何尺寸包括网格尺寸(指上弦网格尺寸)和网架高度。可根据跨度大小柱网尺寸、屋面材料以及构造要求和建筑功能等因素确定。

1.网格尺寸

网格尺寸(指上弦网格尺寸)一般为跨度的1/6~1/20，即在跨度方向有6 ~20个网格。网格尺寸还与网架高度有密切关系，通常应使斜腹杆与弦杆平面的夹角为40~55°。这样节点构造容易处理。

网格尺寸也与网架跨度大小有关。跨度大的网架其网格尺寸应取得大一些。根锯对矩形平面、周边支承的网架进行最优设计表明:最优网格数基本上随跨度的增大而增加，小跨度(<30m)为8~10格，中跨度(30~60m)为10~16格，大跨度(>60m)为12~20格。荷载大小及矩形平面的长宽比对最优网格数没有影响。此外，网格尺寸也应考虑通风管道等设备的设置问题。网架尺寸可参考表1选用。

2.网架高度

为保证网架中央的挠度不致过大，网架高度-般取为跨度的1/10~1/18，跨度铰大时，取较小值。网架高度可参考表1选用，网架高度的确定主要取决于下列几个因素:

一、建筑要求和容许挠度要求

网架的高度应根据建筑要求、相对挠度要求和经济要求来确定。一般情况下，网架跨度较小时，其高度由网架的建筑要求和管道设备要求来决定:网架跨度较大时，其高度往往根据相对挠度来决定。

二、支承条件和平面形状

平面形状为圆形的网架，其高路比可取得比其他平面形状小一些。矩形平面形状的网架，当平面越狭长时，单向作用越明显，其挠度也越大于正方形平面的网架。

三、节点构造形式

网架的节点构造形式很多，国内常用的有焊接空心球节点和螺栓球节点。二者相比，前者安装变形小于后者。故采用螺栓球节点时，网架的高跨比应取大一些。

表1

网架短向跨度L2（m）	上弦网格尺寸	网架高度
<30	(1/6~1/12)L2	(1/10~1/14)L2
30~60	(1/10~1/16)L2	(1/12~1/16)L2
>60	(1/12~1/20)L2	(1/14~1/18)L2

二、网架的杆件

1.杆件材料和截面型式

网架杆件的截面型式主要有角钢和圆钢管两种。圆钢管截面具有管壁薄、回转半径大和截面无方向性等特点,对受压和受扭均有利。根据资料分析，对于圆钢管、角钢，当截面面积相同时，圆钢管的轴压极限承载力最大，在长细比大的情况下,为角钢的3.5倍。一般情况下，采用圆钢管越面比采用型钢截面可节约20%的用钢量。

2.杆件的计算 长度及容许长细比

与平面桁架相比，网架节点处汇集杆件较多，节点嵌固作用较大。网架杆件计算长度系数与网架节点连按型式有关。对螺栓球节点,计算长度系数μ都取为1。对于空心球节点，因空心球的外径约为杆件长度的10%,故对弦杆取μ=0.9, 对腹杆μ=0.8×0.9=0.72,近似取0.8。网架杆件算长度l₀=μl，式中l—杆件几何长度(节点中心间距离)，μ—计算长度系数。

由于网架是空间结构，杆件的容许长细比可比平面桁架放宽一些。受压杆件[λ]= 180；关键受拉杆件[λ]= 250；一般受拉杆件[λ]= 300；

3.网架杆件截面尺寸

杆件截面的最小尺寸应根据结构的跨度与网格大小按计算确定，普通角钢不宜小于L50X3，钢管不宜小于Φ48X3。对大、中跨度网架结构，钢管不宜小于Φ60X3.5。结构杆件分布应保证刚度的连续性，受力方向相邻的弦杆其杆件截面面积之比不宜超过1.8倍。

三、网架的节点

在网架结构中，节点起着连接汇交杆件、传递杆件内力的作用，同时也是网架与屋面结构、天棚吊顶、管道设备、悬挂吊车等连接之处，起着传递荷载的作用。因此，节点是网架结构的一个重要组成部分。网架结构的节点均假定为饺接，杆件均按轴心受力设计，因而各杆件轴线在节点上应准确交汇于一点，以免偏心而产生附加力矩。

网架的节点型式很多，按造型式方式主要分为焊接空心球节点和螺栓球节点两类。

1.焊接空心球

焊接空心球节点是目前应用最为普遍的一种节点型式。这种节点是一种空心球体，它是将两块圆钢板经热压或冷压成两个半球后再对焊而成。当球径等于或大于300mm,且杆件内力较大时，可在球体内加衬环肋，并与两个半球焊成一体以提高节点承载能力。加环肋后，承载能力一般可提高15~30%。这种节点传力明确，构造简单，造型美观，而且连接方便。由于球体没有方向性，可与任意方向的杆件相连;当汇交杆件较多时，其优点更为突出。因此它的适应性强，可用于各种形式的网架结构。

球体直径D主要根据构造要求确定，为便于施焊，在构造上要求:连接于同球节点的各杆件之间的空隙不小于20mm。空心球的外径与壁厚之比宜取25~45；空心球壁厚与主钢管的壁厚之比宜取1.5~2. O;空心球壁厚不宜小于4mm。当选用加环助的空心球时，其环肋厚度不应小于球壁厚度。并应使内力较大的杆件置于环肋平面内。

2. 螺栓球节点

螺栓球节点是通过螺栓将圆钢管杆件和钢球连接起来的一种节点形式。它一般由钢球、螺栓、销子、套筒和维头或封板等零件组成。螺栓球节点的连接构造原理是，先将置有縩栓的锥头或封板焊在钢管杆件的两端，在伸出锥头或封板的縩杆上套有两侧开有长槽的无纹螺母(套简)，并以销钉将螺栓与套简连在一起。拼装时直接拧动六角形套筒，通过销钉带动螺栓转动，从而使螺栓旋入球体，直至杆件与螺栓球紧贴为止。

钢球直径应保证相邻螺栓在球体内不相碰并应满足套筒接触面的要求。螺栓在整个节点中是最关键的传力部件,合理的设计,对保证节点的安全和减轻节点重量都有密切关系。

螺栓常采用高强度钢材制作，并要求热处。高强度螺栓的性能等级应按规格分别选用。对于M12~M36的高强度螺栓，其强度等级应按10.9级选用;对于M39~M64的高强度螺栓，其强度等级应按9.8级选用。

套筒是六角形的无纹螺母，主要用以拧紧螺栓和传递杆件轴向压力。套筒内孔径一般比螺栓直径大 1 mm。套简壁厚按网架最大压杆内力计算确定，并验算其开槽处和端部有效截面积的承压力。套简端部到滑槽端部距离，应按该处有效戴面抗拉能力不低于销钉抗剪能力进行计算，但不应小于1.5倍滑槽宽度(滑槽宽度一般比销钉直径大2 mm)。

销子是套筒和螺栓联系的媒介，使能通过旋转套简面拧紧螺栓。在拧紧螺栓时，销子承受剪力。为臧少销孔对螺栓有效截面的削弱,销子直径应尽可能小些,并宜采用高强钢制作。其直径一般取螺栓直径的0.16~0.18倍，且不小于3 mm。

锥头或封板连接其连接焊缝的承载力应不低于连接钢管，焊缝底部宽度可根据连接钢管壁厚取2mm~5mm。锥头任何截面的承载力应不低于连接钢管，封板厚度应按实际受力大小计算确定，封锥头底板外径宜较套筒外接圆直径大1mm~ 2mm，锥头底板内平台直径宜比螺栓头直径大2mm。锥头倾角应小于40°。

结束语

随着近三十年来高强度钢材的使用，电子计算技术的进步，为空间结构的发展创造了更为有利的条件。国内外大量的工程实践说明，网架结构已成为当前大跨度空间结构中发展最快的一种结构形式。

参考文献

［1］《网架与网壳》.沈祖炎.同济大学出版社

［2］JGJ7-2010空间网格结构技术规程北京。中国建筑I业出版社,2010

[3]徐立志.网架设计中常见技术问题的探讨J].民营科技,2010.25