关键词
钢结构网架屋面设计流程、经验总结与探讨
1. 项目概况
本项目为呼伦贝尔足球场，屋面需做5%的坡度，用于排水。为满足建筑要求，充分体现屋面的流畅设计效果和室内空间开阔的设计要求，采用网架结构。根据建筑功能不同，结构柱距分别为7.8m、8.7m、6.6m。建筑平面功能分为两部分，南北两侧为活动看台及设备用房，中间为足球训练场。网架平面及剖面布置如图1-1所示。屋面网架采用周边支撑方式，下部结构为混凝土框架结构，满足空间布局灵活、室内结构开阔的要求。本项目采用3D3S计算上部网架结构，YJK模型整体计算下部混凝土结构，最后采用Sap2000进行整体计算，验证计算结果。
图 1-1 网格平面图及剖面布置
2. 设计步骤及思路
1.方案设计及优化
本工程网架长55.5m，宽46.2m，平面长宽比小于1.5。根据空间结构相关规定，宜采用双向正交网架及方锥网架。考虑到方锥网架杆件少，空间整体性好，节点处理方便，本工程采用方锥网架，节点形式为螺栓球节点。
根据《空间网架结构技术规范》的有关规定，此网架为中跨度网架，网架高跨比可取1/12至1/18。考虑到本工程屋面为轻型屋面，荷载较小，高跨比取1/16，网架平均厚度取46.2/16=2.9m。在确定网架尺寸时，考虑到柱距比较均匀、规则，相邻杆件间夹角不宜过小，故选取3.3mx3.9m、3.3mx2.7m两种规格。
本项目在设计之初进行了方案比选，采用了网架、桁架两种屋面体系进行比选，分析程序采用3D3S设计软件，模型分析结果对比如表2-1所示：
表2-1 方案初步比选结果
模型
最大构件截面
节点最大垂直位移（mm）
钢材消耗量
网格
180x12
156.5
30.5公斤/㎡
桁架
219x12
163.5
35.2公斤/㎡
2. 章节选择
一般中小跨度桁架构件多为结构型材，受长细比控制，钢材型号可选用Q235B。
棒材和管材可以采用高频焊管或无缝钢管。根据《钢结构设计规范》钢结构连接节点设计手册，无缝钢管截面为A级，高频焊管截面为B级。在计算构件稳定性时，两者会有很大差别。因此，在用软件计算时，应采用高频焊管，防止施工时用高频焊管代替无缝钢管，对结构造成安全隐患。
杆件截面不宜过小，防止生产或吊装时截面过早屈曲。根据规范，本工程最小截面为60x3.5。截面类型不宜过多，一般以8～10种为宜。杆件截面类型可根据截面面积与截面惯性矩的关系确定。
例如ф140x8，截面面积为A1=33.1cm2，截面惯性矩为I1=725.21cm4。ф159x6，截面面积为A2=26.84cm2，截面惯性矩为I2=845.19cm4。显然，在同样的重量和稳定性的情况下，ф159x6杆比ф140x8杆要好。这就要求我们根据钢材的力学性能来选择杆的截面，充分发挥钢材的最大优势，达到节省施工成本的目的。 本工程选用的钢管型材为：ф60x3.5、ф75.5x3.75、ф88.5x4、ф140x4、ф159x6、ф159x10、ф180x12。
3.荷载选择与荷载组合
本项目为体育建筑，建筑等级为乙级，设计使用年限50年，建筑结构安全等级为一级。
（1）
主要设计荷载
1）恒载（不包括结构自重）
屋盖恒载标准值：0.6kN/m2；下弦挂载标准值：0.2kN/m2。
2)活荷载和雪荷载
屋面活荷载标准值：0.5kN/m2；基本雪压：0.45kN/m2（屋面雪分布系数按规范选取）；因两者较为接近，因此分别作为两个活荷载输入计算模型。
3）风荷载
基本风压：0.65kN/m2（50年一遇）；风振系数：按随机振动理论计算；地面不平整度类别：B级；风压高度变异系数：按规范取；风荷载体形系数：迎风面-0.6，背风面-0.5。
4）温度影响
本项目网架合龙施工预计于5月份开始，此时月平均气温约为10-15℃。根据《建筑结构荷载规范》，呼和浩特市最低气温为-38℃，最高气温为30℃，温差较大。模型计算公式为：
最高温升：
最大冷却：
5）地震影响
本项目抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组；
场地类别为III类。
地震作用分析采用振型分解反应谱法，结构阻尼比取0.03，计算前15阶振型，考虑双向地震作用及扭转耦合作用；同时考虑竖向地震作用。
（2）
工况组合
1.1.35 静载 + 1.4x0.7 活载
2.1.2 恒载 + 1.4 活载
3.1.0 恒载 + 1.4 活载
4.1.2 恒载+1.4 风载
5.1.0 恒载 + 1.4 风载
6.1.2 恒载+1.4雪载+1.4x0.6风载
7.1.0 恒载 + 1.4 雪载 + 1.4x0.6 风载
8.1.2 恒载 + 1.4x0.7 雪载 + 1.4 风载
9.1.0 静载 + 1.4x0.7 雪载 + 1.4 风载
10.1.2 静载荷+1.4活载荷+1.4x0.6温度载荷
11.1.0 恒载+1.4 活载+1.4x0.6 温度荷载
12.1.2 恒载+1.4雪载1.4x0.6风载+1.4x0.6温度载
13.1.0 恒载 + 1.4 雪载 1.4x0.6 风载 + 1.4x0.6 温度载
14.1.2 静载荷+1.4x0.7活载荷+1.4x温度载荷
15.1.0 静载荷 + 1.4x0.7 活载荷 + 1.4x 温度载荷
16.1.2 恒载+1.4x0.7雪载1.4x0.6风载+1.4温度载
17.1.0 恒载 + 1.4x0.7 雪载 1.4x0.6 风载 + 1.4 温度载
18.1.0 恒载 + 1.0 活载
4. 支持设置
本工程仅在下部有混凝土柱的部位设置支撑，支撑形式为板式橡胶支撑。由于温度作用导致支撑内力较大，采用橡胶支撑释放部分内力，使计算结果更加合理。支撑计算采用《空间网格技术规范》附录K中的公式，橡胶支撑刚度为1.4KN/mm，支撑最大位移限值为30mm。将橡胶支撑刚度与下部混凝土柱刚度合并计算后，其合并刚度接近1KN/mm。考虑支撑及施工误差，结构计算时网格部分及下部混凝土部分支撑刚度分别取0.5KN/mm、1.0KN/mm、10KN/mm，计算结果取包络线值。 经验证，混凝土部分刚度受影响较小，钢结构中少量杆件截面需进行调整。
5. 结构分析与判定
（1）
变形控制（位移）
计算节点在1.0恒载+1.0活载的标准组合下最大垂直位移为156.5mm，允许挠度值为46.2m/250=184.4mm，满足规范的要求。
（2）
杆的内力控制
构件最大内力为1023.6KN，为恒载+活载作用条件下，中间受压构件的内力。
（3）
应力比控制（强度、整体稳定性）
杆件应力比控制在0.80以下，经计算，应力最大的杆件为网格中部杆件，在恒载+活载条件下钢结构连接节点设计手册，杆件应力为0.798。
（4）
长细比控制
根据《空间网格技术规程》规定，网格结构中拉杆的允许长细比一般取300，靠近支座处杆的允许长细比取250，压杆的允许长细比取180。本工程考虑到杆件轴力不是很大，为防止施工和使用过程中部分杆件超载，拉杆控制应力比取250，压杆应力比取150。
经分析，该结构在强度、位移、长细比等方面满足规范的要求，结构可行。
6. 组件和节点设计
本工程采用高频焊管，前端杆件截面能满足强度、稳定性、长细比及内力的要求。根据《空间网格技术规程》规定，空间网格结构杆件的分布应保证刚度的连续性，受力方向上相邻弦杆件截面应一致。
由于表面积比不应超过1.8倍，因此对部分杆件的横截面积进行了调整。
设计螺栓球节点时，应注意合并，球径不宜过多，当某一规格的螺栓球数量较少时，可合并为较大的球径。若支撑节点处螺栓球截面类型较多，可合并为3～5种，以方便支撑设计。本工程所用螺栓球直径为ф120、ф150、ф180、ф200、ф220、ф250。
7.支持节点设计
本工程支座底板尺寸为400mmx400mm，支座高度为500mm，如图2-1所示。下柱混凝土等级为C40，支座最大竖向反力R=545KN。根据《钢结构连接节点设计手册》，节点校核如下：
图2-1 支撑节点示意图
（1）
支持底板验证
底板面积验证：
底板弯曲计算：
查表可知α=0.06
底板厚度22mm。
（2）
横板立焊缝计算
（3）
交叉焊缝计算
满足要求。
8. 命名经验总结与讨论
网架结构的设计步骤以及设计过程中需要注意的一些问题，大多是作者遇到问题后请教前辈、阅读资料总结出来的经验。在设计本项目后，也接触了一些其他空间结构工程设计。以下是作者在实际设计工作中的疑惑与思考。
1）结构方案阶段应注意哪些问题？轴线网格布置、材料、荷载、建筑高度、屋面排水、形状、设备插入、与下部混凝土的连接等。 2）异形空间结构如何建模？简单的可以用CAD三维建模，复杂的可以用Rhino软件、Grasshopper等参数化建模方法，但最重要的是设计师要有空间设计思维和力学概念。 3）异形空间屋面风荷载如何确定？简单的项目可以多输入几种风荷载工况，复杂的则需要专业人员进行风洞试验、加载。 4）地震时空间结构如何考虑位移？混凝土框架结构可以考虑增设部分混凝土剪力墙或增加抗震支撑。
以上是笔者在工程实践中遇到的一些问题和反思，也有不妥之处，希望能和更多的设计师交流，前人走过的路就是你脚下的路，结构设计是一个辛苦的工作，但同时也是最实际的工作。
