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        淺談我國空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

        2016-04-09 08:50:00戴素娟李文宇解淇鵬王貝貝
        四川水泥 2016年7期
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)架桿件跨度

        戴素娟 李文宇 李 鋒 解淇鵬 王貝貝

        (山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 山東 青島 266590)

        淺談我國空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

        戴素娟 李文宇 李 鋒 解淇鵬 王貝貝

        (山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 山東 青島 266590)

        主要介紹了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式與特點,著重闡述了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展趨勢,指明了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究方向,對我國網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計人員、施工技術(shù)人員具有一定的指導(dǎo)作用。

        網(wǎng)架結(jié)構(gòu);主要特點;發(fā)展趨勢

        網(wǎng)架結(jié)構(gòu)又稱平板型網(wǎng)架結(jié)構(gòu),是以多根桿件按照一定的規(guī)律組合而成的網(wǎng)格狀高次超靜定空間桿系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要有平面桁架系網(wǎng)架、四角錐體系網(wǎng)架和三角錐網(wǎng)架三大類,又可分為13種具體的網(wǎng)架形式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件是桿件,但桿件節(jié)點同樣十分重要,它起著連接匯交桿件,傳遞屋面荷載和吊車荷載的作用,一個節(jié)點上的桿件數(shù),少則有6根,多的可達(dá)13根,節(jié)點的用鋼量約占整個網(wǎng)架用鋼量的1/5~1/4,因此,合理設(shè)計節(jié)點是網(wǎng)架設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié),常用的節(jié)點主要有焊接空心球節(jié)點、螺栓球節(jié)點和焊接鋼板節(jié)點。

        1.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要特點

        網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有如下特點:

        (1) 可實現(xiàn)的跨度大。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是三維受力的空間桁架結(jié)構(gòu),空間交匯的桿件互為支承,將受力桿件與支承系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來,比單向受力的平面桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用的跨度更大,跨度一般可達(dá)120m,甚至更大。

        (2) 經(jīng)濟(jì)安全可靠。由于網(wǎng)架的整體空間作用,剛度大、穩(wěn)定性好,對局部結(jié)構(gòu)的制造缺陷不很敏感,具備各向受力性能,因而應(yīng)力分布均勻,用料經(jīng)濟(jì)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于高次超靜定結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)安全儲備很大。

        (3) 抗震性能很好。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的剛度和整體性較好,因而抗震性能好。這一點,已被國內(nèi)外的工程實踐所證實。

        (4) 適應(yīng)性強(qiáng)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同支承條件的各類建筑,在平面在形狀上也能適應(yīng)正方形、矩形、多邊形、圓形、扇形、三角形以及由此組合而成的各種平面形狀。另外,網(wǎng)架的網(wǎng)絡(luò)形式也為屋面設(shè)計和內(nèi)部裝飾提供了方便。

        (5) 制作、安裝方便。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件和節(jié)點比較單一,便于制成標(biāo)準(zhǔn)桿件和單元,可在工廠中成批生產(chǎn)。而且桿件和節(jié)點的尺寸不大,儲存、裝卸、運(yùn)輸和拼裝都比較方便。

        2.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)研究發(fā)展趨勢

        網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之所以蓬勃發(fā)展是由于它具有外形美觀、受力合理、制作簡單的優(yōu)點,同時受到了結(jié)構(gòu)工程師和建筑師的青睞。多年來國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究,獲得了一系列顯著科研成果。相對其他種類的空間結(jié)構(gòu),網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的理論研究和工程應(yīng)用都已經(jīng)比較成熟,但隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展,仍然存在一些重要問題需要研究。

        2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的水平抗震性能研究

        平面桿系屋蓋結(jié)構(gòu)體系上受到的水平地震作用主要由屋蓋的支承系統(tǒng)承受,所以抗震設(shè)計主要針對豎向地震的計算。而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)多用于高大空曠房屋,支承系統(tǒng)要和網(wǎng)架共同承受水平地震作用,網(wǎng)架良好的空間剛度正好提供了這種可能,因此對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系在水平地震作用下的反應(yīng)應(yīng)該給予足夠重視。

        一般認(rèn)為對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計主要應(yīng)考慮豎向地震作用,這是針對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身而言的。對于整個結(jié)構(gòu)體系來說,水平地震作用仍是不可忽視的。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有良好的空間剛度,與下部支承系統(tǒng)一起形成空間協(xié)同工作,從而保證了建筑物“大震不倒”,在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震分析中,應(yīng)考慮下部支承結(jié)構(gòu)的影響。

        2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究

        網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就應(yīng)用范圍而言,不僅應(yīng)用于體育館等大型公共建筑,而且在工業(yè)建筑中得到了廣泛的推廣應(yīng)用。工業(yè)廠房中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),由于生產(chǎn)的需要一般都設(shè)置懸掛起重機(jī)作為起重運(yùn)輸設(shè)備。懸掛起重機(jī)的設(shè)置可謂是一大創(chuàng)舉,它不僅充分發(fā)揮了網(wǎng)架超靜定結(jié)構(gòu)對集中力擴(kuò)散較快的優(yōu)點,而且布置靈活,便于工業(yè)流程改造。與此同時,在懸掛起重機(jī)作用下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞問題也被提上議程,而且引起工程界和學(xué)術(shù)界越來越廣泛的關(guān)注。如何進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計,JGJ—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》以及 GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中尚無具體規(guī)定。對于直接承受中級或重級工作制懸掛起重機(jī)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),規(guī)定其疲勞強(qiáng)度及構(gòu)造應(yīng)由專門的試驗確定,而且懸掛起重機(jī)的噸位限制在5t以內(nèi)。這極大的限制了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在懸掛起重機(jī)工業(yè)廠房的推廣應(yīng)用。因此,開展系統(tǒng)的理論與試驗研究,建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法意義重大。

        2.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的新體系

        根據(jù)桿件布置方式的不同,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有多中常用的類型。在工程實踐和理論研究中,應(yīng)提倡網(wǎng)架形式的創(chuàng)新,并對其幾何拓?fù)潢P(guān)系和基本力學(xué)性能展開研究。使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)得以不斷豐富和發(fā)展,并增強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的生命力。

        將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入網(wǎng)架結(jié)構(gòu),為網(wǎng)架的發(fā)展提供了又一廣闊空間。預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種新型大跨結(jié)構(gòu),由于預(yù)應(yīng)力的施加能夠有效地減少結(jié)構(gòu)的撓度,降低內(nèi)力峰值和用鋼量,已經(jīng)日益廣泛地應(yīng)用于實際工程之中。網(wǎng)架的下弦平面內(nèi)或下弦平面下布置預(yù)應(yīng)力索,以及調(diào)整網(wǎng)架支座高度均能起到施加預(yù)應(yīng)力的效果。結(jié)合網(wǎng)架的支承結(jié)構(gòu),在網(wǎng)架上弦節(jié)點處設(shè)置斜拉索,也可以改善網(wǎng)架的受力。此類預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力、動力力學(xué)性能、不同預(yù)應(yīng)力度對網(wǎng)架的卸荷效果、極限承載力和破壞形態(tài)的影響等問題值得進(jìn)一步研究。

        近年來,隨著冶金技術(shù)的不斷提高,科學(xué)研究工作的不斷深入,鋁結(jié)構(gòu)在全世界范圍內(nèi)被大量應(yīng)用,歐美各發(fā)達(dá)國家更是在大量應(yīng)用鋁結(jié)構(gòu),如鋁結(jié)構(gòu)橋、鋁穹頂結(jié)構(gòu)、鋁網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。鋁是人類認(rèn)識和利用比較早的元素之一,因為它的強(qiáng)度和硬度都較低,純鋁構(gòu)件是十分不理想的。但是鋁可通過冷加工強(qiáng)化,把強(qiáng)度提高一倍以上,也可通過添加鎂、錳、硅、銅、鋅、鋰等合金元素,再經(jīng)熱處理進(jìn)一步強(qiáng)化,所形成的鋁合金既有優(yōu)良的物理力學(xué)性能又具有重量輕的特有優(yōu)點,因而是一種很理想的建筑材料。鋁網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和理論研究具有很大的發(fā)展空間。

        2.4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的塑形設(shè)計

        目前對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜動力受力分析,僅限于彈性分析范圍內(nèi)。在一些荷載確定、跨度不大的網(wǎng)架中,可以嘗試考慮塑形設(shè)計,應(yīng)允許在一定條件下,網(wǎng)架桿件部分進(jìn)入塑性。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震分析,尤其是罕遇地震作用下,應(yīng)該進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的彈塑性動力分析。目前這一領(lǐng)域的研究工作開展的還不夠,這也是今后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)理論研究的需要關(guān)注的一個重要內(nèi)容。

        2.5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的新型節(jié)點

        隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式的不斷創(chuàng)新、桿件截面形式的變化,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點形式也需要不斷創(chuàng)新。需要開發(fā)一些新型裝配式、易于加工和裝配,并且成本低的節(jié)點形式。另外,對現(xiàn)有一些常用節(jié)點形式也需要進(jìn)一步改進(jìn),以拓展其應(yīng)用范圍。工程實踐中,焊接空心球網(wǎng)架正趨向于大跨度、大節(jié)點的發(fā)展方向,直徑大于500mm的空心球在工程上的需求量越來越多。大型焊接空心球由于其直徑、厚度大,在鋼板加熱、壓制、焊接等加工過程中不同于一般的焊接空心球,其受力性能也和一般焊接球有所區(qū)別。

        由于螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有工廠化生產(chǎn)、質(zhì)量易保證,以及安裝和施工周期短等優(yōu)點,該節(jié)點形式應(yīng)用越來越廣泛。高強(qiáng)螺栓是這類網(wǎng)架的關(guān)鍵部件,決定著結(jié)構(gòu)的安全和應(yīng)用范圍。德國Mero公司已有M120大直徑超高強(qiáng)螺栓,可承受2000~3000kN的設(shè)計拉力,并已在希臘雅典的體育館工程中應(yīng)用。而國內(nèi)40Cr的最大直徑為M64,也僅能承受800~900kN的設(shè)計拉力。從一些實際工程中,也提出了大直徑超高強(qiáng)螺栓及配套鋼球的研制問題。只有這樣,螺栓 球節(jié)點網(wǎng)架的應(yīng)用范圍才會進(jìn)一步擴(kuò)大,使得螺栓球節(jié)點網(wǎng)架的優(yōu)點更為突出。

        結(jié)論

        空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)今后發(fā)展的一個重要趨勢就是網(wǎng)架與預(yù)應(yīng)力結(jié)合的大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu), 大跨空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也是衡量我國建筑科技水平的重要標(biāo)志之一, 我國當(dāng)前針對于大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所涉及需要的新體系、新技術(shù)、新材料還存在很大欠缺, 有待進(jìn)一步研究和完善, 以更充分的體現(xiàn)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性與合理性 ,最終促使我國空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)蓬勃地發(fā)展, 更好的為我國經(jīng)濟(jì)建筑服務(wù)。

        [1]張文福.空間結(jié)構(gòu)[M].科學(xué)出版社. 2005.8

        [2]劉錫良.我國網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展[C].第六屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集.2006.7

        G322

        B

        1007-6344(2016)07-0263-01

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