基于設計的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性影響因素分析

謝軍君

【摘要】在近年來我國大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的建筑造型和良好的力學性能而廣泛應用于大跨度結(jié)構(gòu)中。針對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的相關研究也比較豐富，早期由于計算機輔助設計相對落后，簡化計算方法研究比較盛行，代表的計算方法有：交叉梁系差分法、擬夾層板法、假想彎矩法等[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]。也有利用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計手冊進行輔助設計[12]，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元軟件輔助設計越來越普及，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常用有限元計算軟件有midasgen、3d3s、MST等，用其進行網(wǎng)架設計和施工圖繪制都比較方便。就目前收集的論文資料來看，有的研究偏于學術(shù)，有的對單個知識點挖掘較深，有的只針對某個工程做出一些延伸討論，得出的結(jié)論有一定局限性，系統(tǒng)性不強，設計覆蓋面過于狹隘，針對規(guī)范[1] [2]的改版，荷載取值和材料強度都有了較大變化（如可靠度統(tǒng)一標準和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，新鋼規(guī)性能化設計等），原有的空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程部分內(nèi)容已滯后較多（其單方用鋼量計算公式本來考慮的因素就不足）。本課題是基于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)正常設計流程，依據(jù)新規(guī)范，進行系統(tǒng)性擴展研究，利用3d3S.V14進行建模和施工成圖，探究各變量和單方用鋼量的內(nèi)在變化規(guī)律。為后續(xù)設計施工提供有力的技術(shù)支持。

【關鍵詞】網(wǎng)架結(jié)構(gòu);經(jīng)濟性;影響因素;設計

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、模型概況

本文以應用最廣的正放四凌錐網(wǎng)架為例，根據(jù)常用柱距，網(wǎng)格尺寸和數(shù)量構(gòu)造要求，得出了大中小跨度共7組平面如圖 1-1、1-2、1-3。

1.1小跨度網(wǎng)架<=30m

2.0*12=24m;2.5*12=30m

1.2 30<中等跨度網(wǎng)架<=60

2.5*15=37.5 m;3*15=45m;3.5*15=52.5 m變網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格數(shù)量固定為15格。

1.3大跨度網(wǎng)架>60

3.5*18=63 m;4*18=72 m變網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格數(shù)量固定為18格。

2、模型荷載

恒荷載按：

0.5KN/m2/：0.5=（0.3上弦+0.2下弦）;

1 KN/m2：1=（0.6上弦+0.4下弦）;

1.5 KN/m2;1.5=（1上弦+0.5下弦）

活荷載按0.5

地震作用按6、7、8度，

風荷載按0.45，屋面坡度5%，坡度較小基本為風吸力，其組合主要考慮其抗拔荷載。

溫度作用按-25℃～+25℃

3、其他情況

根據(jù)網(wǎng)架跨高比，對跨中高度做出限制，如1/12、1/15、1/18、1/20、1/25

鋼材Q235B，Q355B。

網(wǎng)架應力比按0.8控

網(wǎng)架位移按1/250控

長細比控制拉桿1/250壓桿1/180

7（平面）*3（荷載）*3（烈度）*5（跨高比）*2（鋼材）=630個模型

4、Q235鋼跨高比對經(jīng)濟性的影響（單方用鋼量kg/m2）

小跨度網(wǎng)架可見在小中荷載的情況下24m跨度和30m跨度，跨高比1 /15以內(nèi)網(wǎng)架用鋼量基本一致，結(jié)合小跨度網(wǎng)架控制最小桿件φ48x3.5，其占比達到總用鋼量的50%左右，從桿件應力比來看多數(shù)應力比較小，表現(xiàn)為青藍色區(qū)域較多，桿件未充分發(fā)揮作用，桿件應力比小于0.5以下的占比80%以上，實際為材料的浪費。建議24m跨度以內(nèi)的網(wǎng)架，最小桿件要求可適當放寬。

此外就網(wǎng)架厚度來講，小跨度中小荷載下，桁架跨高比1/18～1/20是性價比最高的，可以最大限度的增加建筑凈高，且用鋼量增幅不大。當荷載較小也可做到極限1/25，但其用鋼量會大幅度上升，我們稱斜率轉(zhuǎn)折點為應力和位移控制分界點，在分界點前隨著跨高比加大，桿件應力斜率較小，桿件截面增長較小，整體用鋼量增幅不大，過了應力位移控制點，網(wǎng)架為了滿足自身剛度位移要求，其桿件內(nèi)力增幅非常大，導致截面增幅加大，例如圖示30m跨度，大荷載，1/25跨高比情況下，由于跨度和荷載的雙重作用加上網(wǎng)架厚度小，桁架的上下弦桿局部應力超限，如30m跨度1.5荷載情況下，1/20的跨高比，其支座桿件截面已經(jīng)達到φ325x20，若再增大跨高比，桿件可選截面超出截面庫的最大截面導致桁架設計已經(jīng)不合理。

中等跨度網(wǎng)架30～45m跨度，在荷載較小的情況下，1/18的跨高比仍然是比較合理的，圖中37.5m跨和45m跨甚至出現(xiàn)了交集，所以應力比較小的情況下，相同的跨高比大跨度不一定會比小跨度網(wǎng)架單方用鋼量大。其他影響因素如支座情況，網(wǎng)格情況，網(wǎng)架類型等，本文未列入考慮因素。荷載加大后，網(wǎng)架高度宜取1/12～1/15，當荷載進一步加大后，網(wǎng)架高度限制在1/12左右比較合理，而45～60m跨度網(wǎng)架，特別是50左右的跨度，荷載較大情況下Q235鋼強度不夠，桿件截面過大，只有將跨高比限制在1/12以內(nèi)才能實現(xiàn)。

大跨度網(wǎng)架在荷載特別小的情況下，跨高比宜控制在1/12以內(nèi)方可實現(xiàn)，一般情況下大跨度網(wǎng)架不建議采用Q235。

鋼材強度提高后和Q235相比1/25大中小荷載都能實現(xiàn)，但用鋼量還是有較大增長的，合理跨高比控制在1/20比較合適。當跨高比1/15時小荷載存在波谷的情況，即Q345、小荷載、小跨度桁架，1/15可以做到最經(jīng)濟的，在極限跨高比下小跨度的網(wǎng)架用鋼量對荷載更為敏感。

中等跨度網(wǎng)架小荷載情況下，q345、極限跨高比情況下會發(fā)揮作用，能夠讓跨度大些的網(wǎng)架更加經(jīng)濟，中等荷載下跨高比1/18情況下較大跨度反而比小跨度經(jīng)濟，大荷載下這個跨高比變成了1/15.綜合來看中等荷載中等跨度網(wǎng)架只有在跨高比突破1/20的情況下才是位移控制，而大荷載45m跨度下這個應力轉(zhuǎn)擇點提前到1/15。

45～60m跨度網(wǎng)架，無論大中小荷載，極值點都在1/15，可見此類跨度經(jīng)濟跨高比優(yōu)選1/15，跨高比突破1/15時，用鋼量會經(jīng)歷雙折線上升。52.5m跨度比45m跨度用鋼量增長幅度要小些。荷載和跨度都較大時，1/20也成了Q345的極限跨高比。

大跨度網(wǎng)架一般跨度大，荷載取值也比較大，其適用跨高比就比較局促了，一般情況下宜采用1/12～1/15是比較合理的，跨度再大一些，雙層網(wǎng)架的剛度較弱壓桿長細比過大，雙層網(wǎng)架這類結(jié)構(gòu)形式無論整體穩(wěn)定性還是局部穩(wěn)定性來講，都不再適合。

研究結(jié)論：

本文通過對實際工程的提煉，結(jié)合本文前幾章的構(gòu)造和荷載計算要求提出了630個理論模型進行計算和施工成圖，計算結(jié)果經(jīng)過分析得出了單方用鋼量和跨高比，鋼材型號，荷載，設防烈度等之間的內(nèi)在規(guī)律。

Q235鋼不宜用于大跨度網(wǎng)架，中等跨度網(wǎng)架30～45m跨，使用時宜將跨高比控制在1/18，45～60m跨度宜將跨高比控制在1/15。

小跨度網(wǎng)架可采用Q235，荷載較小的簡易屋面跨高比可達到1/25，其余情況宜控制在1/20，1/15～1/18是性價比較高的跨高比范圍，24m跨度以內(nèi)的小跨度網(wǎng)架，若按最小桿件φ48x3.5控制，多數(shù)桿件應力比較小，建議可適當放寬最小桿件要求。

Q355鋼強度較高，可用于大跨網(wǎng)架，跨度60～72m，其合理跨高比1/12～1/15，當荷載較小時也可達到1/20，跨度更大時，宜縮小跨高比，考慮到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和桿件的長細比等影響因素，宜采用三層及以上的網(wǎng)架。

Q355用于中等跨度網(wǎng)架時，經(jīng)濟跨高比為1/15，合理跨高比1/12～1/20，小荷載情況下可達1/25。

小跨度網(wǎng)架宜采用Q355，經(jīng)濟跨高比同樣是1/15，可選跨高比范圍較大，一般可取1/12～1/25，其中跨高比1/12～1/20用鋼量波動不大在20%以內(nèi)，跨高比1/20～1/25時用鋼量增幅會達到50%。

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