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1浅析网架工程质量控制华侨大学2001级工程管理班陈荣喜[摘要]介绍了目前应用最为广泛、发展最为迅速的空间网架结构，它是将杆件按一定规律布置，通过节点连接而形成的一种空间结构，具有重量轻、刚度大、抗震性能好和工业化程度高等优点，已广泛应用于大型体育场馆、展览馆和大柱网、大面积工业厂房等屋盖结构中，本文以福建省三明市三钢体育馆双层椭球面壳网架屋架为线索，进一步分析网架设计与施工的特点，归纳总结网架工程质量控制。[关键词]网架；荷载；杆件；节点1.概述自1964年我国建成第一个网架起，近30年特别是近十几年，网架的应用与发展更为迅猛。从大、承重结构到装饰结构，广泛采用网架结构，在国际上引起了极大的重视并被誉为“网架大国”。我国尤其是网架行业已是我国建造行业的一个重要行业，为国家建设事业的现代化和发展作出了重大贡献。网架结构的形式很多，从网格来分，可分为三大类，即交叉桁架体系、四角锥体系及三角锥体系。1、交叉桁架体系：由互相交叉的桁架组成，整个网架上下弦杆位于同一垂直平面内，并用同一平面内的腹杆将其连接起来。相互交叉的桁架有两向和三向的，两向交叉可以是正交（90。）和不正交（任意角度），三向交叉的交角为60。。2、四角锥体系：由许多四角锥按一定规律组成，组成的基本单元为倒置四角锥，网架上下弦平面均为方形网格，下弦节点位于上弦网格形心的投影线上，与上弦网格的四个节点用斜腹杆相连。若改变上、下弦错开的平移值或相对地旋转上、下弦杆，并适当抽去一些弦杆和腹杆，即可获得各种形式的四角锥网架。3、三角锥体系网架：由倒置的三角锥组成，组成的基本单元为三角锥，锥底的三条边即网架的上弦杆，棱边即为网架腹杆，锥顶用杆件相连即为网架的下弦杆，随锥体布置不同，可获得不同三角锥体系网架。2.网架设计控制22.1初步设计：1、网架结构的形式、尺寸及厚度：根据建筑平面形状、使用要求、网架跨度、支承情况及屋面荷载的大小等条件综合确定形式；网架结构的网格尺寸取决于屋面材料的选用，若屋面采用无檩体系，即钢丝网水泥板或带肋钢筋混凝土屋面板，网格尺寸不宜超过4m；若采用有檩体系，受檩条经济跨度的影响，网格尺寸不宜超过6m。通常情况下杆件的长度一般在3m左右；网架厚度与结构跨度及屋面荷载大小相关,一般取短向跨度的1/18~1/10。2、支承形式：网架结构搁置在柱、梁及桁架等下部结构上,由于搁置方式不同,可分为周边支承、周边点支承、三边支承、对边支承、点支承及组合等。3、屋面排水：网架结构的屋面面积都比较大，屋面中间起坡高度也较大，屋面排水问题显得非常重要。网架结构屋面排水有：整个网架起拱、网架变厚度、小立柱找坡。4、容许挠度和起拱：网架结构的容许挠度不应超过下列数值：[f]＝L2/250（用作屋盖）或[f]＝L2/300（用作楼层），式中L2---网架的短向跨度。当网架结构的最大挠度不满足容许挠度限值时，需重新调整结构刚度或通过适当起拱的方法来解决。当有起拱要求时，其挠度不得大于短向跨度的1/300；网架结构总拼完后及屋面施工完后应分别测量其挠度值，所测的挠度值不得超过相应设计值的1.15倍。2.2荷载计算1、永久荷载：网架结构的杆件自身的重量gok(KN/m2)可按下列经验公式估算：gok=ξ√qwL2/200(1)式中qw——除网架自重外的屋面荷载或楼面荷载的标准值（KN/m2）；L2——网架的短向跨度(m)；ξ——系数，（钢管网架取ξ＝1.0，型钢网架取ξ＝1.2）2、可变荷载：是指在使用期间，其值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的荷载。作用在网架上的可变荷载主要有：屋面或楼面活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载、吊车荷载。2.3杆件设计1、杆件材料和截面形式：网架杆件的材料常采用钢材或铝合金材料；网架杆件的截面形式有圆管、方管、角钢及H形钢等，根据承载力和稳定性的计算和验算结果来确定，且杆件截面的最小尺寸应根据网架跨度及网格大小确定。32、杆件的计算长度和容许长细比：（1）计算长度：网架杆件的计算长度通过模型试验研究并参考平面桁架而确定，其计算长度l0可按下式确定：l0＝ul,式中l---杆件几何长度（节点中心距）；u---计算长度系数，如下表1-1所示。表1-1杆件计算长度系数u杆件节点螺栓球焊接空心球板结点弦杆及支座腹杆l0.9ll腹杆l0.8l0.8（2）容许长细比：杆件的长细比不宜超过下列数值：一、受压杆件180mm，二、受拉杆件：1.一般杆件400mm，2.支座附近处杆件300mm。2.4节点设计：1、焊接空心球节点：是我国采用最早也是目前应用较广的一种节点，由两个半球对焊而成，适用于圆钢管连接，构造简单、传力明确、连接方便，杆件在空心球上自然对中而不产生节点偏心；由于球体无方向性，可与任意方向的杆件相连；但节点用钢量较大，且现场焊接工作量大，焊缝质量要求高。2、螺栓球节点：是国内常用节点形式之一。它由钢球、销钉、套筒和锥头或封板、螺栓等零件组成，螺栓球节点除焊接空心球节点所具有的对汇交空间杆件适用性强、杆件对中方便和连接不产生偏心等优点外，还可避免大量的现场焊接工作量；零配件工厂加工，使产品工厂化，保证工程质量；运输和安装方便，可以根据工地施工情况，采用散装、分条拼装等安装方法。可用于任何形式的网架。3、支座节点：网架结构一般都支承在柱顶或圈梁等下部支承结构上，支座节点即位于支承结构上的网架节点。它既要连接在网架支承处汇交的杆件，又要支承整个网架，并将作用在网架上的荷载传递到下部支承结构。因此，网架结构的支座节点应能保证安全可靠地传递支承反力，必须具有足够的强度和刚度，在竖向荷载作用下，支承节点一般均为受压，但在一些斜放类的网架中，局部支座节点可承受拉力作用，有时还可能要承受水平力的作用，设计时应使支座节点的构造适用于它们的受力特点。同时支座节点4的构造还应尽量符合计算假定，充分反映设计意图。3.网架施工控制3.1网架结构的制作、安装与验收控制1、网架的制作控制：网架结构的制作一般均在工厂进行，分三个步骤来控制：①准备工作，包括零部件加工图的编制、零部件制作的工艺流程的制定及对进场材料的复验；②零部件加工；③零部件的质量检验。2、网架的安装控制：网架的安装是指将工厂加工好的零部件运至施工现场并利用各种施工方法将网架搁置在设计位置上的过程；网架安装前应做到：①查验各节点、杆件、连接件和焊接材料的出产合格证和复验报表；②对施工单位预埋件、预埋锚栓的位置和标高及网架的定位轴线进行复验；③对网架施工图与实际网架进行复验，检查有无差错。网架的安装方法随拼装方法和安装机具的选用不同，主要有高空散装法、分条或分块安装法、高空滑移法、整体提升法和整体顶升法。3、网架的验收控制：验收时，对网架进行总体尺寸的检测，验收依据有：①中心允许偏移值，为1/3000边长，且不大于30mm；②纵横向边长允许偏差，为长度的1/2000，且不应大于30mm；③周边支承网架相邻点间支座高差允许值，为1/400支座间距，且不应大于15mm；④点支承网架允许高差，为1/800支座间距，且不应大于30mm。⑤挠度，所测得的挠度平均值不应超过设计值1.15倍。3.2网架结构的防腐与防火控制1、网架结构的防腐控制：钢结构耐锈蚀性较差，裸露的钢结构在大气作用下会产生锈蚀。若使用环境湿度高、有腐蚀性介质存在则锈蚀速度将更快。钢结构产生锈蚀后，会使构件截面减小，降低承载能力，影响结构的使用寿命，因此必须采用防腐措施。网架的防腐方法有三种：①改变金属结构的组织，在钢材冶炼过程中增加铜、铬和镍等合金元素以提高钢材的抗锈能力；②在钢材表面用金属镀层保护；③在钢材表面涂以非金属保护层，即用涂料将钢材表面保护起来使之不受大气中有害介质的锈蚀。2、网架结构的防火控制：网架的耐火极限，主要取决于钢材的耐火极限。它与构件吸热程度、传热速度和传热表面积大小等有关，网架的防火措施主要是喷涂防火涂料和采用水喷淋系统及加隔热层进行防护。4.工程实例网架大多数作为建筑屋盖而广泛应用于公用建筑、工业厂房中。本文以福建省三明5市三钢文体中心钢网架屋盖为实例，浅析网架设计与施工，总结网架工程质量控制。4.1工程概况福建省三明市三钢文体中心于2000年建成，其屋盖采用了正放三角锥双层椭球面壳螺栓球节点网架屋盖结构(如：右图)，网架投影面积为4780m2，展开面积为5147m2，短向支承处矢跨比1/6.5，支承跨度为50.4m，周边悬挑7～9m，其中矢高相应为7.8m；网架平面投影为二个半圆，中间夹一个矩形，外形酷似甲鱼壳，网架总重185t。4.2网架设计1、网架的选型：网架的形式很多，结合本工程的平面形状和跨度大小、支承情况、荷载大小、屋面构造、建筑设计等要求综合分析确定。最后确定选用正放三角锥网架的方案，正放三角锥双层椭球面壳钢网架中间高，周边平翘，以中轴划分相应对称，网架上表面平顺过渡。2、橡胶垫支座设计：网架橡胶垫支座共设计有24个，橡胶垫板的计算除应使之具有足够的承压强度外，尚应考虑到材料具有易变形的特性，必须对其平均压缩变位、抗剪、抗滑性能进行验算。①橡胶垫板的平面尺寸确定：橡胶垫板的平面尺寸主要取决于它的抗压强度，即бm=Rmax/A=Rmax/a·b≤[б](2)式中бm---平均压应力；A----垫板承压面积，A＝a·b;a、b----橡胶垫板短边和长边的边长；Rmax----网架全部荷载标准值引起的最大支座反力值；[б]----橡胶垫板的允许抗压强度，一般为7.8～7.9Mpa。②橡胶垫板的厚度：橡胶垫板的厚度根据其剪切变位条件及控制橡胶层厚度的构造要求按下式计算：0.2a≥d0≥u/0.7(3)式中d0---橡胶层总厚度u----网架支座节点在温度变化等因素下所引起的最大水平位移值6橡胶层总厚度d0确定后，加上各胶片间薄钢板的厚度之和，就可求橡胶垫板的总厚度。③橡胶垫板的压缩变形：在橡胶支座节点中，支座节点的转动是通过橡胶垫板产生的不均匀压缩变形来实现的，橡胶垫板的平均压缩变形wm值应按下式验算：0.05d0≥wm≥1/2θ(4)式中θ—为支座转角值④橡胶垫板的抗滑移：在橡胶支座节点中，橡胶面直接与混凝土或钢板接触，当由于温度变化等因素引起水平变位u时，支座上出现的水平力将靠接触面上的摩擦力平衡。为此，应保证橡胶垫板与接触面间不产生相对滑动。可按下式进行抗滑移验算：uRg≥GAu/d0(5)式中u----橡胶垫板与接触面之间的摩擦系数，与钢接触时取0.2，与砼接触时取0.3；Rg----乘以荷载分项系数0.9的永久荷载标准值引起的支座反力；G----橡胶垫板的抗剪弹性模量。3、螺栓球节点设计：①高强螺栓设计：高强度螺栓在整个节点中是最关键的传力部件，螺栓应达到8.8级或10.9级的要求，螺栓头部为圆柱形，便于在锥头或封板内转动。每个高强度螺栓的受拉承载力设计值均应按下式计算：Ntb≤ψΑoffftb(6)式中Ntb——高强度螺栓的拉力设计值（N）；ψ——螺栓直径对承载力影响系数当螺栓直径小于30mm时，ψ=1.0;当螺栓直径大于等于30mm时，ψ=0.93;ftb——高强度螺栓经热处理后的抗拉强度设计值；对40Cr钢，40B钢于20MnTiB钢，取为430N/mm2,对45号钢，取为365N/mm2；Αoff——高强度螺栓的有效截面面积（mm2），可按表4.4.4选取。当螺栓上钻有销孔或键槽时，Αoff应取螺纹蛊或销孔健槽处二者中的较小值。②套筒设计：套筒是六角形的无纹螺母，主要用以拧紧螺栓和传力杆件轴向压力。其外形尺寸应符合扳手开口尺寸系列，端部应保持平整。套筒内孔径一般比螺栓直径大1mm。套筒长度可按下式计算：S=a+2b(7)式中a---套筒上的滑槽长度7b---套筒端部到滑槽端部距离4、网架的内力计算：①根据网架结构对称性情况和荷载对称情况，选取计算单元；②对计算单元节点和杆件进行编号，节点编号应满足相邻节点号差最小的原则，以减少计算机容量，加快运算速度。杆件编号次序以方便检查为原则，对计算速度、容量无影响；③计算杆件长度和杆件与整体坐标系夹角的余弦；④建立整体坐标系的单刚矩阵；⑤建立总