论文部分内容阅读
摘 要：网架结构广泛应用于民用与工业建筑，随着时间变化，由于设计分析方法的不同、构件锈蚀、荷载的变化等因素，使得对网架结构受力性能分析以及加固方案研究成为实际工程的迫切需要。本文简述了网架结构的形式、特点，对常用的网架结构加固方法进行了概述，并分析了各种加固方法的优缺点和适应范围，总结了网架结构常用的结构设计方法和优化方法。
关键词：空间网架；加固方法；平面桁架；预应力加固法
空间结构中具有代表性的有：网架、网壳、悬索和膜结构等，与其它几种形式相比，空间网架结构形式最为常见，此种结构布置较为规律，生产、运输和安装都很方便，结构形式简单，受力合理，因此得到了广泛的应用。随着空间网架结构形式在实际工程中的应用越来越多，许多结构由于设计、施工、使用及保养过程中存在的问题，使得结构部分构件在未达到其使用寿命的时候，就发生了损坏。因此，需要对既有网架结构进行定期的检查和保养，并对其加固方法展开相应的研究，以便指导既有网架结构加固的设计及施工。
一、网架结构的主要形式
（1）平面桁架体系单元网架：该网架结构形式源自平面桁架体系，由上下弦打及腹杆等构件组成基本卑元，并通过竖杆和斜杆将其连接成大型的空间网架结构。但是由于此种网架结构节点多数为铰接节点，所以受力构件无法承受弯矩和剪力。
（2）三角锥体单元空间网架：此结构体系的组成单元为三边等长的三角锥体结构，即为正四面体结构单元，通过在每个单元顶部用杆件连接，从而形成空间网架结构。根据其组合形式的不同，又可将其进行划分为三角锥、抽空三角锥及蜂窝型网架结构等。其中三角锥网架是指网架的下弦节点正好位于上弦网格的形心处，此结构形式整体性较好，具有较强的承载能力，且构造较为统一美观。蜂窝形三角锥单元空间网架由正三角形和六边形组成上弦平面网格，正六边形组成下弦平面网格组成。在这几种结构形式中，此种结构体系所需要的构件数最少，但是安装较为困难。
（3）四角锥体单元空间网架：由斜杆及弦杆组成的五面体单元即为四角锥体空间网架的基本单元，相互之间通过弦杆连接，其从各个方向有着对称的外观，根据其具体结构形式的不同，可进行如下分类。正置四角锥体单元网架，此种网架结构布置规则，受力均匀；正置抽空四角锥单元空间网架，是去除掉一部分下弦杆和腹杆而形成的结构，但是其承载能力将会减小。还有其它的诸如斜置、棋盘形、星形四角锥体空间网架等多种形式。
（4）六角锥体单元空间网架：六角维体也即七面体单元结构，每个卑元由根斜杆和根弦奸组成。此结构形式节点太多，且相互之间的连接较为复杂，美观性较差。
二、网架结构的加固方法
（1）粘贴FRP加固法：它利用树脂类胶结材料将碳纤维织物粘贴于混凝土表面来达到对结构补强加固及改善结构受力性能的目的。具有轻质高强、耐腐烛、工艺性良好等优点，自20世纪40年代出现后，便广泛应用于航空航天、化工、机械等领域。随着的推广应用，其材料成本随之降低，70年代便应用到土木工程领域，主要用于新建建筑、钢管混凝土新型结构等，尤其是在既有结构的加固中扮演着举足轻重的角色。FRP粘贴于受弯构件的受拉面，使得其抗拉性能得到充分发挥。FRP粘贴修复钢结构的技术，充分利用料的高强特性，将粘贴在需要加固的杆件表面，不仅可以提高杆件的强度，而且结构胶还可以防腐烛，对杆件起到一定的保护作用。
（2）粘钢加固法：粘钢加固网格结构的方法，是指用钢材胶粘剂把薄钢板粘贴在杆件表面，使薄钢板与杆件协同工作的一种加固方法。由于粘钢加固法加固钢板的厚度很薄，二次受力特征不明显，和其他加固法相比具有明显的优势。该技术始于20世纪60年代，快速、簡便，对结构的外形没有影响，在建筑、公路桥梁的加固中得到广泛的应用。粘钢加固杆件的主要连接方法有三种方式：辉接、铆接和粘接。粘接主要利用建筑结构胶进行连接，对结构胶强度要求比较高，除强度要求外，还要求能承受疲劳荷载和抗老化，同时，由于网格结构杆件一般为圆形，对粘贴施工工艺要求很高。
（3）套管加固法：套管加固法一般是在需要加固的杆件外面利用焊接，套于角钢或者槽钢，共同承担外荷载。为了提高外管的抗弯性能，保证给内管提供强大的约束，可以把外管做成格构式，即在杆件外面焊接角钢或者槽钢，保证两者一起受力。在受力初期，内外管之间有一定的空隙，在受力时，空隙逐渐减小，导致内外管壁将接触挤压，外管中产生弯曲应力。套管加固法是目前较为常见的加固方法，有工程实例用槽钢代替角钢，可以减小焊缝长度，进而减小焊接应力。
（4）预应力加固法：预应力结构不仅可以用在结构设计中，在网架结构的加固中也得到了应用。通过结构设计与布索，可以将普通网架改造成为预应力网架，预应力加固法以及成为网架结构改造加固的捷径。预应力加固法的具体做法是在现有网架的基础上建立一套预应力结构体系，利用预应力钢绞线调整网架杆件内力及应力水平，使其在受到新增荷载时杆件的应力均在控制范围。网架的变形应该满足现行规范的要求，在网架平面内以预应力体系将原先的支承边作为支座支承边。这样的优点在于保持下部主体结构框架的受力情况，在增加的荷载不是太大时，可不用验算下部主体结构。预应力结构体系的布置方法和原来的网架支承相同。
三、结论
结合实际工程实例，还可以应用其他的加固方法，例如，将网架结构平面加大，使网架一边或者四周成为外挑结构，这样跨中应力将减小，跨中烧度也会减小，但是，相应的支座位置会产生负弯矩，应注意支座附近的杆件的应用是否符合要求，同时，支撑结构也应该相应加强，随着材料学科的发展，越来越多的材料可以应用到网架结构加固中，为网架结构加固开辟了新的途径。
参考文献
[1] 董石麟，赵阳，论空间结构的形式和分类[J]，土木工程学报，2004
[2] 完海鹰，王炳生，大跨度空间结构[M]，北京：中国建筑工业出版社，2000
[3] 肖炽，李维滨，马少华，空间结构设计与施工[M]，南京：东南大学出版社，1999
[4] 赵育才，雷宏刚，网架结构事故的分类及原因[J]，科学之友，2006
[5] 汪小超，一种网架结构加固方案的探讨[J]，浙江工业大学学报，2007
[6] 吴 润，平板网架结构的加固分析与设计[J]，湖南城市学院报，2005
[7] 卢亦众，黄银案，张号军等，加固技术研究新进展[J]，中国铁道科学，2006
[8] 李树林，网架改造加固设计方法[J]，钢结构，2009
作者简介
许天增（1993-），男，汉族，河南开封市人，在读工程硕士，单位：河南大学土木建筑学院建筑与土木工程专业，研究方向：桥梁与隧道。
（作者单位：河南大学土木建筑学院）
关键词：空间网架；加固方法；平面桁架；预应力加固法
空间结构中具有代表性的有：网架、网壳、悬索和膜结构等，与其它几种形式相比，空间网架结构形式最为常见，此种结构布置较为规律，生产、运输和安装都很方便，结构形式简单，受力合理，因此得到了广泛的应用。随着空间网架结构形式在实际工程中的应用越来越多，许多结构由于设计、施工、使用及保养过程中存在的问题，使得结构部分构件在未达到其使用寿命的时候，就发生了损坏。因此，需要对既有网架结构进行定期的检查和保养，并对其加固方法展开相应的研究，以便指导既有网架结构加固的设计及施工。
一、网架结构的主要形式
（1）平面桁架体系单元网架：该网架结构形式源自平面桁架体系，由上下弦打及腹杆等构件组成基本卑元，并通过竖杆和斜杆将其连接成大型的空间网架结构。但是由于此种网架结构节点多数为铰接节点，所以受力构件无法承受弯矩和剪力。
（2）三角锥体单元空间网架：此结构体系的组成单元为三边等长的三角锥体结构，即为正四面体结构单元，通过在每个单元顶部用杆件连接，从而形成空间网架结构。根据其组合形式的不同，又可将其进行划分为三角锥、抽空三角锥及蜂窝型网架结构等。其中三角锥网架是指网架的下弦节点正好位于上弦网格的形心处，此结构形式整体性较好，具有较强的承载能力，且构造较为统一美观。蜂窝形三角锥单元空间网架由正三角形和六边形组成上弦平面网格，正六边形组成下弦平面网格组成。在这几种结构形式中，此种结构体系所需要的构件数最少，但是安装较为困难。
（3）四角锥体单元空间网架：由斜杆及弦杆组成的五面体单元即为四角锥体空间网架的基本单元，相互之间通过弦杆连接，其从各个方向有着对称的外观，根据其具体结构形式的不同，可进行如下分类。正置四角锥体单元网架，此种网架结构布置规则，受力均匀；正置抽空四角锥单元空间网架，是去除掉一部分下弦杆和腹杆而形成的结构，但是其承载能力将会减小。还有其它的诸如斜置、棋盘形、星形四角锥体空间网架等多种形式。
（4）六角锥体单元空间网架：六角维体也即七面体单元结构，每个卑元由根斜杆和根弦奸组成。此结构形式节点太多，且相互之间的连接较为复杂，美观性较差。
二、网架结构的加固方法
（1）粘贴FRP加固法：它利用树脂类胶结材料将碳纤维织物粘贴于混凝土表面来达到对结构补强加固及改善结构受力性能的目的。具有轻质高强、耐腐烛、工艺性良好等优点，自20世纪40年代出现后，便广泛应用于航空航天、化工、机械等领域。随着的推广应用，其材料成本随之降低，70年代便应用到土木工程领域，主要用于新建建筑、钢管混凝土新型结构等，尤其是在既有结构的加固中扮演着举足轻重的角色。FRP粘贴于受弯构件的受拉面，使得其抗拉性能得到充分发挥。FRP粘贴修复钢结构的技术，充分利用料的高强特性，将粘贴在需要加固的杆件表面，不仅可以提高杆件的强度，而且结构胶还可以防腐烛，对杆件起到一定的保护作用。
（2）粘钢加固法：粘钢加固网格结构的方法，是指用钢材胶粘剂把薄钢板粘贴在杆件表面，使薄钢板与杆件协同工作的一种加固方法。由于粘钢加固法加固钢板的厚度很薄，二次受力特征不明显，和其他加固法相比具有明显的优势。该技术始于20世纪60年代，快速、簡便，对结构的外形没有影响，在建筑、公路桥梁的加固中得到广泛的应用。粘钢加固杆件的主要连接方法有三种方式：辉接、铆接和粘接。粘接主要利用建筑结构胶进行连接，对结构胶强度要求比较高，除强度要求外，还要求能承受疲劳荷载和抗老化，同时，由于网格结构杆件一般为圆形，对粘贴施工工艺要求很高。
（3）套管加固法：套管加固法一般是在需要加固的杆件外面利用焊接，套于角钢或者槽钢，共同承担外荷载。为了提高外管的抗弯性能，保证给内管提供强大的约束，可以把外管做成格构式，即在杆件外面焊接角钢或者槽钢，保证两者一起受力。在受力初期，内外管之间有一定的空隙，在受力时，空隙逐渐减小，导致内外管壁将接触挤压，外管中产生弯曲应力。套管加固法是目前较为常见的加固方法，有工程实例用槽钢代替角钢，可以减小焊缝长度，进而减小焊接应力。
（4）预应力加固法：预应力结构不仅可以用在结构设计中，在网架结构的加固中也得到了应用。通过结构设计与布索，可以将普通网架改造成为预应力网架，预应力加固法以及成为网架结构改造加固的捷径。预应力加固法的具体做法是在现有网架的基础上建立一套预应力结构体系，利用预应力钢绞线调整网架杆件内力及应力水平，使其在受到新增荷载时杆件的应力均在控制范围。网架的变形应该满足现行规范的要求，在网架平面内以预应力体系将原先的支承边作为支座支承边。这样的优点在于保持下部主体结构框架的受力情况，在增加的荷载不是太大时，可不用验算下部主体结构。预应力结构体系的布置方法和原来的网架支承相同。
三、结论
结合实际工程实例，还可以应用其他的加固方法，例如，将网架结构平面加大，使网架一边或者四周成为外挑结构，这样跨中应力将减小，跨中烧度也会减小，但是，相应的支座位置会产生负弯矩，应注意支座附近的杆件的应用是否符合要求，同时，支撑结构也应该相应加强，随着材料学科的发展，越来越多的材料可以应用到网架结构加固中，为网架结构加固开辟了新的途径。
参考文献
[1] 董石麟，赵阳，论空间结构的形式和分类[J]，土木工程学报，2004
[2] 完海鹰，王炳生，大跨度空间结构[M]，北京：中国建筑工业出版社，2000
[3] 肖炽，李维滨，马少华，空间结构设计与施工[M]，南京：东南大学出版社，1999
[4] 赵育才，雷宏刚，网架结构事故的分类及原因[J]，科学之友，2006
[5] 汪小超，一种网架结构加固方案的探讨[J]，浙江工业大学学报，2007
[6] 吴 润，平板网架结构的加固分析与设计[J]，湖南城市学院报，2005
[7] 卢亦众，黄银案，张号军等，加固技术研究新进展[J]，中国铁道科学，2006
[8] 李树林，网架改造加固设计方法[J]，钢结构，2009
作者简介
许天增（1993-），男，汉族，河南开封市人，在读工程硕士，单位：河南大学土木建筑学院建筑与土木工程专业，研究方向：桥梁与隧道。
（作者单位：河南大学土木建筑学院）