某体育馆网架结构设计要点分析
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作者: 杨磊
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40 m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40 m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1 800 m2（40 m×45 m），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350 mm。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=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=（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=3.333 m。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=3.214 m。当网架短向跨度为L2=（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=2.7 m，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350 mm×600 mm，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=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2 mm。
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10 mm。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。
参考文献
[1]凌长敏,史忠友,张旭明.论某体育馆网架屋盖结构设计[J].建筑结构,2006,27(02):74-75.
[2]张帆,钱刚.浅析网架结构在体育馆中的应用分析[J].建筑技术,2007,29(06):101-103.
[3]陈志年,林环兴,吴利东.体育馆网架结构设计与计算分析[J].四川建筑科学研究,2006,31(02):46-49.
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