大跨度三层与双层新型组合式平板网架结构

文章编号：1009-0193(2002)03-0086-04大跨度三层与双层新型组合式平板网架结构王丽娜1，陈刚2，杨先奎3（1.贵州黔东南州监理公司，贵州凯里556000；2.贵州工业大学土木建筑工程学院，贵州贵阳550003；3.贵州黔东南州建总公司，贵州凯里556000）摘要：介绍一种新型组合式平板网架，以适应跨度在100m以上的特大跨度建筑中应用。用三层网架与两层网架合理组合，达到覆盖跨度大，又保证刚度和强度的条件下，作到节约用钢量的目的。关键词：大跨度；三层与双层平板网架；组合结构中图分类号：TU398.9文献标识码：A0引言平板型网架的力学模型可以等效为一块考虑剪切变形的拟夹层板，网架的高度（厚度）随跨度L的增大而增大。一般平板网架厚度取（1/14-1/16）L。如L=100m，其高度h=100/15=6.7m，高度增大后，网格也随之增大，否则腹杆之间夹角小，交汇困难，因此上下网格也在6-7m之间，此时其杆长达7m-8m之间。网架的轴力杆中，压杆的长细比取控制作用，因此杆件截面自然很大，随之而来的节点球直径加大，自然用钢量急剧增大。网架高度是控制变形的主要因素，保证高度不变而又减小杆件长度的要求下，于是出现了三层网架，如图1为某120m跨度正放四角锥平板网架的剖面组成，网架高度h=L/15=120/15=8m，按双层网架要求，上下弦网格杆长8m，斜腹杆长11.31m，夹角α=54.7°。为了保证夹角α不变，而减小杆长在双层网架上、下层之间的中性层加一层网格，形成如图1所示网格出现三层平板网架，此时杆件长度减小一半。所以在特大跨度的情况下，建筑造型要求作成平板型时，则三层平板网架为首选方案。周边为大柱网点支承的平板网架的力学模型可以等效为考虑板的剪切变形的板柱结构体系。网架与柱相近的纵、横网格，属“柱上板带”，此处为主要受力部件，即受力较大和控制变形的主要的部分，从此类大跨度点支承网架的力学规律分析得到启示：“加强柱上板带，相应减弱跨中板带”，于是出现了“大跨度三层与双层组合式新型平板网架结构”。1大跨度三层与双层组合式平板网架的组成与构造某8000座体育馆，设计为正方形，平面尺寸为120m×120m，周边每40m设置一根钢筋混凝土柱，悬挑长度为14m，要求结构选型。400080004000图1L=120m平板网架的剖面图400040004000400040008000图3三层网架剖面图(1-1)1.1三层平板网架的平面布置与剖面构造首选网架高度（H=8000(L/15)网格尺寸4000×4000的正放四角锥三层平板网架，则网架上、下弦杆长4000，斜腹杆长5657，斜腹杆与上、下层平面夹角54.7°。屋面为60厚复合彩钢板四坡水屋面（I=0.03）柃条跨度4000，选用C16钢作柃条。三层平板型正放四角锥网架平面布置简图如图2所示。三层平板网架组成，可从其（1—1）剖面图构造可知（图3)，由于加了中性层，腹杆长度由11.314m，减少为5.657m。规范规定网架杆件既令受力很小，按构造设置时，其截面按容许长细比［λ］控制，即［λ］=180，则双层网架的受压腹杆计算长度L=1131.4cm，求得钢管回转半径r=1131.4/180=6.28cm，查表选用钢管为φ219×5，重量g=26.6kg/m，若为三层网架，腹杆长563.7cm，按构造控制时r=563.7/180=3.13cm，查表选用φ89×3，g=6.36kg/m，两者比较三层网架腹杆，每米少用钢20.25kg钢材，差值达4倍，所以在特大跨度条件下，选用三层平板网架，其用钢量不但不增加反而减少，而且三层网架的结构强度及刚度均优于双层网架，这也是工程建设中在特大跨度时要采用三层网架的原因。1.2三层与双层正放四角锥组合式平板网架30X30=900个4mX4m的网格图2三层平板网架平面布置简图2.5X4=10m120m10X4=40m10X4=40m2.5X4=10m10X4=40m11(3×4+2=14m)(3×4+2=14m)周边点支承特大跨度的平板网架，其力学模型类似板柱结构体系，柱上板带受力大，跨中板带受力相应较小，这样给我们一个启示“受力大的网架刚度设置大，受力小的地方网架刚度设置相应小”。即将此特大跨度平板网架根据刚度大小分区配置，形成三层网架与双层网架组合，组成一种新型的空间平板网架（图4），从简图可知，中间九块及周边白色区为双层网架，柱上板带形成正方形格网状（带黑点区）为三层网架，均为正放四角锥组成。三层部分为两个四角锥组成，双层部分为一个四角组成，如图5a、5b所示，三层与双层组合后，形成组合平板网架如图6a及图6b剖面，网架的高度直接影响网架的刚度和强度。从图6a、6b可知，在双层与单层网架上、下弦截面不变的情况下，网架单位抗弯刚度（EI/a）与网架高度的平方成正比，则三层的单位刚度比双层刚度大四倍；上、下弦轴向力，三层网架上、下弦杆轴向力比双层网架上、下弦杆轴力小一半。根据平板网架的受力特点合理布置三层网架与双层网架的位置，是此类组合网架的关键所在。图5a三层网架正放四角锥组成图5b双层正放四角锥网架组成图6a三层与双层连接构造(1-1剖面)图6b悬挑檐口及柱支承构造(2-2剖面)图1所示，三层与双层组合网架的覆盖面积为148×148=21904m2，其中三层网架覆盖图4三层与双层组合网架平面布置简图120m40m14m40m柱221双层网架40m14m14m40m1120m40m40m14m三层网架面积10368m2，双层网架覆盖面积11536m2，正放四角锥双层网架比正放四角锥三层网架每个网格（4m×4m）少8根杆（4根4m长，4根5.657m长）对此项工程而言三层与双层组合网架比三层网架少5768根杆，减少节点钢球2884个，用钢量下降是不言而喻的了。2三层与双层组合式空间平板网架的特点当跨度达到100米以上的特大跨度屋盖结构，且建筑要求为平屋面时，目前一般采用三层平板型网架，本文提出的三层与双层组合式平板型组合网架有如下特点：2.1建筑特点1.它与一般三层平板网架比，增大大厅净空，从而可降低建筑物高度；2.大厅吊顶造型，可以利用结构组成有规律的大方格网，丰富大厅室内吊顶造型；3.增强大厅室内音响效果，它比完全是平面的吊顶增加了不同方面的反射面，音响效果自然比平面吊顶为好。2.2结构受力特点1.三层与双层网架的布置符合平板型网架的内力分布规律，受力大的部位为三层，受力小的部位双层，结构布置合理，有序；2.结构自重减小，从而增强整体结构的刚度和强度；3.减小竖向地震作用，降低点支承柱附近网格各杆件的内力，避免内力分布过于集中的缺点。2.3施工特点1.减少施工周期，提高施工速度，由于减少了大量的杆件和球节点，工程量减少，施工安装速度自然提高；2.焊接球与螺栓球节点混合使用，特大跨度的网架一般均用焊接球节点，此类组合网架三层用焊接球，双层用螺栓球，提高施工安装速度；3.减少支撑脚手架用量，如上述148m×148m组合网架，先将三层部分安装完毕，双层部分的九块可在地面拼装，整体提升，脚手架用量下降一半。3结论三层与双层组合式平板网架是针对跨度超过100米的特大跨度屋盖而言的，它比三层网架节约用钢量，降低工程造价，提高施工安装速度，减少施工费用，由于它合理的结构布置给建筑功能也带来不少优点。是一种应用在特大跨度的屋盖结构中的优良结构形式。参考文献：［1］沈祖炎，马克俭，等.空间网架结构［M］.贵阳：贵州人民出版社，1986.［2］董石麟，马克俭，等.组合网架结构与空腹网架结构［M］.杭州：浙江大学出版社，1992.［3］沈祖炎，陈扬骥.网架与网壳［M］.上海：同济大学出版社，1997.［4］JGJ7-91.网架结构设计与施工规程［S］.