论文部分内容阅读
[摘 要] 网架结构在我国被广泛用作厂房、体育馆、展览馆、俱乐部等的屋盖结构。文章详细阐述了网架结构建筑的特点和设计流程，文章最后给出了一套网架钢结构火电厂房建筑的设计案例。
[关键词] 网架结构 建筑设计 钢结构
网架结构是一种平板型,由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而形成的空间结构, 属于空间铰接杆系,多次超稳定空间结构,具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。构成网架的基本单元包括三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等,由这些基本单元可组合成平面桁架系网架,四面锥体系网架,三角锥体系网架等不同网架形式;根据网架连接节点形式不同,一般可以分为焊接球节点,螺栓球节点,钢板节点三大类。
1.网架结构特点分析
网架结构的结构形式特点决定了网架作为一种空间杆系结构,具有三维受力特点, 能承受各方向的作用,具体体现为以下几个方面:
1)网架结构的刚度大, 整体性好, 抗震能力强。2)网架结构的自重轻, 节约钢材。3)网架结构适应于各种平面形式的建筑。4)网架结构取材方便。网架结构一般取材于 Q235 或Q345 钢,杆件截面形式多采用钢管或型钢, 有钢板节点网架、螺杆球节点网架、支座节点网架、焊接球节点网架多种节点网架形式,取材方便, 方便施工。5) 网架结构适宜于工厂化生产。由于网架结构的杆件或部件规格划一, 适应工厂化生产, 从而为加快工程进度提供了有利条件和保证。
2.网架结构设计流程
网架结构的设计应符合我国相关规范的要求,同时结合网架结构的特点,进行具体设计, 一般可以分为模型分析, 网架计算、施工图调整3个阶段。
1) 模型分析阶段。应当注意初期网格尺寸的划分, 网架厚度的选取,平面上调整支座位置等关键点的确定;对于网架边缘,支座位置的调整,应当遵守两个满足,反复调整的原则, 即既要满足网架受力的结构特点,又要满足建筑外形,同时调整模型接近至图纸要求水平;应CAD三维命令及相应的空间建模工具熟悉,以加快建模速度。2)网架结构计算阶段。网架计算过程中,对于支座情况的设置, 荷载的输入,工况的组合,以及计算结果的调整等重要环节应引起足够重视,具体而言包括风荷载是否能够准确输入,针对于真实情况下的支座构件情况的模拟是否准确,工况组合的时候中分项系数设置的考虑是否适宜, 对于计算结构中内力或挠度不满足规范要求情况的调整方法的掌握,以及对于几何可变情况的检查和网架结构连接节点中对于螺栓大小的控制是否合适等。3) 施工图调整阶段。施工图调整阶段主要是节点施工图的计算和加工施工图出图。水平网架一般都选水平面为基准面,弧形网架一般都选用拟合平面比较好,但多个弧线相交的位置最好重新用其他基准面来计算;对于网架模型在计算软件里面,平面所在的位置,一定要移动到基点,否则出图会产生很多微小角度上的差别,影响网架球的安装。
3.设计实例
3.1 工程概况
工程建设规模为2×1000MW机组火电厂厂房设计。场区内地形总体呈北高南低，区内总体表现为丘陵地貌。汽机房、除氧间、煤仓间三列式顺列布置，采用网架结构设计形式。
3.1.1主厂房结构体系
主厂房为钢结构，横向为三跨，依次为汽机房、除氧间、煤仓间，横向为框排架+支撑结构，除氧间梁柱刚接以减少横向侧移，纵向十跨为梁柱铰接+支撑结构，楼面为钢次梁加现浇混凝土板，汽机房屋面结构为变截面实腹钢梁，与AB排柱刚接而形成空间结构体系。在适当轴位（尤其在结构底部内力较大处），设横向垂直支撑，保证结构的横向刚度和横向水平力的传递，以确保结构稳定和抵抗侧向力。厂房两机组单元之间设置伸缩缝，两机组厂房形成独立单元结构体系。
3.1.2主厂房结构布置及节点
汽机房运行层平台以下设置横向支撑，除氧间框架梁与柱刚接,其他部分均采用铰接；A、B、C、D列每列设置四道柱间支撑。汽机房运行层平台柱与基础铰接。
3.1.3除氧煤仓间楼层结构
楼板采用钢梁－现浇混凝土板组合结构。次梁均采用H型钢梁，并采用镀锌压型钢板做永久性底模，上浇钢筋砼楼板。
3.1.4汽机房运转层结构
汽机房运转层为大平台布置方式，横向由平台梁、柱、柱间支撑和主厂房主体承重结构联合，横向平台梁与柱铰接。楼板采用钢梁－现浇混凝土板组合结构，次梁均采用H型钢梁，用镀锌压型钢板作永久底模，上浇钢筋混凝土的楼板；局部采用钢格栅或花纹钢板。
3.1.5 汽机房屋面结构
汽机房屋盖采用实腹钢主次梁结构。
3.1.6汽机房山墙结构
由于主厂房不考虑扩建连通，固定端、扩建端山墙均采用现浇钢筋混凝土结构，横向为框架结构。柱顶纵向均与汽机房屋面钢次梁铰接，钢次梁兼做刚性系杆以传递水平力。
3.2抗震设计
按照我国规范确立的“三水准设防目标，两阶段设计步骤”的抗震设计思想，在具体设计中，第一阶段设计是通过多遇地震作用下的构件承载力验算，以及层间弹性变形验算，来满足第一水准的要求；并通过概念设计和相应的抗震措施来满足第二水准和第三水准地震的设计要求。第二阶段的设计是对厂房结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震措施，实现第三水准的设防要求。
3.2.1计算原则
地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g (g为重力加速度)。
3.2.2 抗震布置
1)横向抗震体系：汽机房外侧柱与除氧煤仓间框架及支撑组成的带支撑钢框排架抗震体系承受横向水平地震作用。主厂房与炉架钢柱、集控楼之间的连系采用滑动支座处理。地震计算时，不考虑其相互作用，各自为独立的抗震体系。
2)纵向抗震体系：纵向钢框架加支撑结构抗震体系承受纵向水平地震作用。
3.2.3抗震构造措施
根据《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-93的要求，主厂房相当于《建筑抗震设计规范》中的乙类建筑，安全等级二级，地震作用按抗震设防烈度7度计算，抗震措施的设防烈度为8度。主厂房采用带支撑框架结构，楼层结构采用钢梁－现浇钢筋混凝土板结构，均有效地保证结构良好的整体性和抗震性能。
3.3结构计算
结构分析计算的传统方法为平面杆系计算，不考虑钢结构厂房的空间协调作用。本工程采用STAADPRO、SAP2000等空间有限元分析程序进行计算分析，并互为校核，确保计算的准确性、正确性。将纵横向框、排架和各层楼、屋面联合组成的空间结构体系进行空间结构计算，在满足生产工艺要求的前提下，充分考虑了构件之间的协调作用，与传统的平面模型相比更进一步接近结构、荷载和受力的实际情况，可以精确考虑厂房的空间协调因素，使计算模型最大限度的反映结构的实际受力状态，计算出较精确的内力值，从而使构件断面选择更趋于合理。
4.钢网架结构主厂房的优点
4.1网架结构的一般性能优势
1)安装简便、施工周期短、布置灵活多样，厂房的有效利用面积大。
2)构件断面小，结构自重轻，减小地震作用的影响，同时减少基础的建设费用，具有较高的性价比。
3)钢结构自重轻、强度高、延性好，对抗震有很好的适应性和优越性，特别在高地震设防烈度区，就抗震性能而言钢结构体系具有明显的优越性，可大大降低地基处理费用。
4)钢结构构件的制造可在车间内进行，有利于保证加工质量，可以不受自然条件影响，生产及安装的机械化程度高，宜于施工文明。
4.2钢结构体系抗震性能方面的优势
1)由于钢材本身是一种延性很好的材料，只要结构布置合理，抗震构造措施得当，其抗震性能远比钢筋混凝土结构好，在震后也比较容易修复。
2)根据《火力发电厂主厂房结构抗震设计技术》项目课题研究成果，对国内传统的主厂房三列式布置形式即汽机房、除氧间和煤仓间结构进行抗震性能试验，对此类典型布置的结构抗震设计提出了建议：因结构中存在错层、短柱等不利结构性缺陷，钢筋混凝土结构适用7度及以下地区主厂房结构体系，当抗震设防烈度为8度时宜采用钢结构。当采用钢结构时，设防烈度为6、7度的主厂房，可采用铰接框架－支撑体系，设防烈度为8度的主厂房，应采用刚接框架－支撑体系；锅炉炉架结构与主厂房钢结构相互不宜直接连接。
5.结束语
网架结构发展趋势是大跨度空间网架结构,也是衡量建筑科技水平的重要标志之一,我国当前针对于大跨度空间网架结构所涉及需要的新体系、新技术、新材料还存在很大欠缺, 有待进一步研究和完善,以更充分地体现网架结构的先进性。
参考文献:
[1] 董石麟.预应力大跨空间钢结构的应用与展望[J].浙江建筑, 2002(9):20-22.
[2] 陆赐麟.积极/健康地推广应用钢结构及其新技术[J].建筑结构,2002(23):31-33.
[3] 郭明明,周观根.大跨空间钢结构工程的施工技术[J].浙江建筑,2002(9):40-43.
[4] 蓝天.空间钢结构的应用与发展[J].建筑结构学报,2001(4):55-57.
[关键词] 网架结构 建筑设计 钢结构
网架结构是一种平板型,由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而形成的空间结构, 属于空间铰接杆系,多次超稳定空间结构,具有工业化程度高、自重轻、稳定性好、外形美观的特点。构成网架的基本单元包括三角锥、三棱体、正方体、截头四角锥等,由这些基本单元可组合成平面桁架系网架,四面锥体系网架,三角锥体系网架等不同网架形式;根据网架连接节点形式不同,一般可以分为焊接球节点,螺栓球节点,钢板节点三大类。
1.网架结构特点分析
网架结构的结构形式特点决定了网架作为一种空间杆系结构,具有三维受力特点, 能承受各方向的作用,具体体现为以下几个方面:
1)网架结构的刚度大, 整体性好, 抗震能力强。2)网架结构的自重轻, 节约钢材。3)网架结构适应于各种平面形式的建筑。4)网架结构取材方便。网架结构一般取材于 Q235 或Q345 钢,杆件截面形式多采用钢管或型钢, 有钢板节点网架、螺杆球节点网架、支座节点网架、焊接球节点网架多种节点网架形式,取材方便, 方便施工。5) 网架结构适宜于工厂化生产。由于网架结构的杆件或部件规格划一, 适应工厂化生产, 从而为加快工程进度提供了有利条件和保证。
2.网架结构设计流程
网架结构的设计应符合我国相关规范的要求,同时结合网架结构的特点,进行具体设计, 一般可以分为模型分析, 网架计算、施工图调整3个阶段。
1) 模型分析阶段。应当注意初期网格尺寸的划分, 网架厚度的选取,平面上调整支座位置等关键点的确定;对于网架边缘,支座位置的调整,应当遵守两个满足,反复调整的原则, 即既要满足网架受力的结构特点,又要满足建筑外形,同时调整模型接近至图纸要求水平;应CAD三维命令及相应的空间建模工具熟悉,以加快建模速度。2)网架结构计算阶段。网架计算过程中,对于支座情况的设置, 荷载的输入,工况的组合,以及计算结果的调整等重要环节应引起足够重视,具体而言包括风荷载是否能够准确输入,针对于真实情况下的支座构件情况的模拟是否准确,工况组合的时候中分项系数设置的考虑是否适宜, 对于计算结构中内力或挠度不满足规范要求情况的调整方法的掌握,以及对于几何可变情况的检查和网架结构连接节点中对于螺栓大小的控制是否合适等。3) 施工图调整阶段。施工图调整阶段主要是节点施工图的计算和加工施工图出图。水平网架一般都选水平面为基准面,弧形网架一般都选用拟合平面比较好,但多个弧线相交的位置最好重新用其他基准面来计算;对于网架模型在计算软件里面,平面所在的位置,一定要移动到基点,否则出图会产生很多微小角度上的差别,影响网架球的安装。
3.设计实例
3.1 工程概况
工程建设规模为2×1000MW机组火电厂厂房设计。场区内地形总体呈北高南低，区内总体表现为丘陵地貌。汽机房、除氧间、煤仓间三列式顺列布置，采用网架结构设计形式。
3.1.1主厂房结构体系
主厂房为钢结构，横向为三跨，依次为汽机房、除氧间、煤仓间，横向为框排架+支撑结构，除氧间梁柱刚接以减少横向侧移，纵向十跨为梁柱铰接+支撑结构，楼面为钢次梁加现浇混凝土板，汽机房屋面结构为变截面实腹钢梁，与AB排柱刚接而形成空间结构体系。在适当轴位（尤其在结构底部内力较大处），设横向垂直支撑，保证结构的横向刚度和横向水平力的传递，以确保结构稳定和抵抗侧向力。厂房两机组单元之间设置伸缩缝，两机组厂房形成独立单元结构体系。
3.1.2主厂房结构布置及节点
汽机房运行层平台以下设置横向支撑，除氧间框架梁与柱刚接,其他部分均采用铰接；A、B、C、D列每列设置四道柱间支撑。汽机房运行层平台柱与基础铰接。
3.1.3除氧煤仓间楼层结构
楼板采用钢梁－现浇混凝土板组合结构。次梁均采用H型钢梁，并采用镀锌压型钢板做永久性底模，上浇钢筋砼楼板。
3.1.4汽机房运转层结构
汽机房运转层为大平台布置方式，横向由平台梁、柱、柱间支撑和主厂房主体承重结构联合，横向平台梁与柱铰接。楼板采用钢梁－现浇混凝土板组合结构，次梁均采用H型钢梁，用镀锌压型钢板作永久底模，上浇钢筋混凝土的楼板；局部采用钢格栅或花纹钢板。
3.1.5 汽机房屋面结构
汽机房屋盖采用实腹钢主次梁结构。
3.1.6汽机房山墙结构
由于主厂房不考虑扩建连通，固定端、扩建端山墙均采用现浇钢筋混凝土结构，横向为框架结构。柱顶纵向均与汽机房屋面钢次梁铰接，钢次梁兼做刚性系杆以传递水平力。
3.2抗震设计
按照我国规范确立的“三水准设防目标，两阶段设计步骤”的抗震设计思想，在具体设计中，第一阶段设计是通过多遇地震作用下的构件承载力验算，以及层间弹性变形验算，来满足第一水准的要求；并通过概念设计和相应的抗震措施来满足第二水准和第三水准地震的设计要求。第二阶段的设计是对厂房结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震措施，实现第三水准的设防要求。
3.2.1计算原则
地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g (g为重力加速度)。
3.2.2 抗震布置
1)横向抗震体系：汽机房外侧柱与除氧煤仓间框架及支撑组成的带支撑钢框排架抗震体系承受横向水平地震作用。主厂房与炉架钢柱、集控楼之间的连系采用滑动支座处理。地震计算时，不考虑其相互作用，各自为独立的抗震体系。
2)纵向抗震体系：纵向钢框架加支撑结构抗震体系承受纵向水平地震作用。
3.2.3抗震构造措施
根据《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-93的要求，主厂房相当于《建筑抗震设计规范》中的乙类建筑，安全等级二级，地震作用按抗震设防烈度7度计算，抗震措施的设防烈度为8度。主厂房采用带支撑框架结构，楼层结构采用钢梁－现浇钢筋混凝土板结构，均有效地保证结构良好的整体性和抗震性能。
3.3结构计算
结构分析计算的传统方法为平面杆系计算，不考虑钢结构厂房的空间协调作用。本工程采用STAADPRO、SAP2000等空间有限元分析程序进行计算分析，并互为校核，确保计算的准确性、正确性。将纵横向框、排架和各层楼、屋面联合组成的空间结构体系进行空间结构计算，在满足生产工艺要求的前提下，充分考虑了构件之间的协调作用，与传统的平面模型相比更进一步接近结构、荷载和受力的实际情况，可以精确考虑厂房的空间协调因素，使计算模型最大限度的反映结构的实际受力状态，计算出较精确的内力值，从而使构件断面选择更趋于合理。
4.钢网架结构主厂房的优点
4.1网架结构的一般性能优势
1)安装简便、施工周期短、布置灵活多样，厂房的有效利用面积大。
2)构件断面小，结构自重轻，减小地震作用的影响，同时减少基础的建设费用，具有较高的性价比。
3)钢结构自重轻、强度高、延性好，对抗震有很好的适应性和优越性，特别在高地震设防烈度区，就抗震性能而言钢结构体系具有明显的优越性，可大大降低地基处理费用。
4)钢结构构件的制造可在车间内进行，有利于保证加工质量，可以不受自然条件影响，生产及安装的机械化程度高，宜于施工文明。
4.2钢结构体系抗震性能方面的优势
1)由于钢材本身是一种延性很好的材料，只要结构布置合理，抗震构造措施得当，其抗震性能远比钢筋混凝土结构好，在震后也比较容易修复。
2)根据《火力发电厂主厂房结构抗震设计技术》项目课题研究成果，对国内传统的主厂房三列式布置形式即汽机房、除氧间和煤仓间结构进行抗震性能试验，对此类典型布置的结构抗震设计提出了建议：因结构中存在错层、短柱等不利结构性缺陷，钢筋混凝土结构适用7度及以下地区主厂房结构体系，当抗震设防烈度为8度时宜采用钢结构。当采用钢结构时，设防烈度为6、7度的主厂房，可采用铰接框架－支撑体系，设防烈度为8度的主厂房，应采用刚接框架－支撑体系；锅炉炉架结构与主厂房钢结构相互不宜直接连接。
5.结束语
网架结构发展趋势是大跨度空间网架结构,也是衡量建筑科技水平的重要标志之一,我国当前针对于大跨度空间网架结构所涉及需要的新体系、新技术、新材料还存在很大欠缺, 有待进一步研究和完善,以更充分地体现网架结构的先进性。
参考文献:
[1] 董石麟.预应力大跨空间钢结构的应用与展望[J].浙江建筑, 2002(9):20-22.
[2] 陆赐麟.积极/健康地推广应用钢结构及其新技术[J].建筑结构,2002(23):31-33.
[3] 郭明明,周观根.大跨空间钢结构工程的施工技术[J].浙江建筑,2002(9):40-43.
[4] 蓝天.空间钢结构的应用与发展[J].建筑结构学报,2001(4):55-57.