大跨度网架结构2011施工技术与应用

李文    杨功臣

第一章概论

一、空间结构近年来迅速发展的原因

近几十年来，随着生产的不断发展和人民社会活动的要求的提高，需要建设大跨度的工业厂房、展览馆、体育场馆、大会堂工程等建筑物和构筑物，以满足生产和人民生活日益增长的需求。

随着建筑结构跨度的增大，传统的平面结构，如梁、桁架、钢架等大跨度屋盖和承重构件已有许多的问题存在。客观上要求必须用空间网架结构来代替平面结构，使之增加稳定性及安全性。

空间结构是一种高次超静定结构，分析过程十分繁琐，手工计算几乎是不可能的，用近似的方法分析，除工作量非常大之外，往往需要加大安全度以弥补近似计算带来的偏差，因此造成材料的浪费和损失。电子计算机技术的发展与完善为空间结构的精确计算提供了可能性，而且计算速度快、精度高。同时还能进行多种结构方案的比较和优化设计，为空间结构的发展创造了有利的条件和良好的工作环境。

网架结构所以能迅速发展，除上述原因外，还有网架的空间节点得到了很好的解决，如空心球节点和螺栓球节点等，这些节点都具有安全可靠、施工方便等优点。高强钢材的生产和广泛应用也为空间结构的发展创造了有利条件。

二、空间结构的分类

空间结构大体可分为薄壳结构、悬索结构和网架结构三大类。

◆薄壳结构一般泛指采用钢筋混凝土材料建造的薄壁壳体，它具有传递力比较直接的特点，有较好的受力性能。

◆悬索结构是以钢索为受拉的主要承重构件，由于钢索都是采用高强度的钢材制成，其受力性能合理，材料强度可以充分发挥。

◆网架结构是由许多杆件组成的空间结构，它又可分为平板型网架和网壳型两大类。其中平板型网架在我国发展很快，应用也比较广泛。

三、平板网架的优点

平板网架结构（简称网架）所以能得到广泛的应用，为广大设计和施工及建设单位所青睐，主要是因为它具有较为突出的优点。现将其主要优点分析如下：

1、网架结构空间受力，每根杆件都参加工作，故可以节省钢材。如网架形式，杆件截面和节点构造选择合理，网架的用钢量可达到等跨度的钢筋混凝土结构的用钢量，既减轻了自重，又节约了大量的木材、水泥和施工的人工费用等。

2、网架结构的建筑高度小，网架的厚度一般为1/15～1/20L，而较普通桁架节省空间。

3、对抗震有利，由于网架结构自重轻、延性好，所以能吸收大量的地震能量。网架结构的空间体系，各方面的刚度等同，整体性好，能抵抗不同方向的地震力。

4、对承受集中荷载、非对称荷载、局部超载等都有利，并能较好地承受在网架吊装时产生的提升差和地基不均匀沉降引起的附加内应力。

5、网架的杆件和节点的形状尺寸大都相同，因而可做成标准构件在工厂生产。这样制作加工方便，还可以提高效率，而且可降低材料消耗，改进节点构造，确保产品质量，并能减少大量现场工作量，提高网架的工程质量。

6、由于网架结构的网格尺寸较小，便于采用轻型屋面。

7、网架结构便于在顶棚上铺设管道、安装灯光设备及悬挂吊车等设备。

8、建筑布置灵活，其外露杆件组成的集合图案美观大方，深受广大建筑师的欢迎。

9、设计工作简便，计算及绘图工作量都可大量减少。

四、国外使用情况简述

焊接技术的发展和电子计算机的普及应用，推进了网架结构的发展。近三十年来，国外许多国家广泛地采用网架结构，在日本、英国、西德和法国等国家，其网架结构方面的进展更为突出。

当前世界上跨度最大的网架结构是于1973年建成的瑞士苏黎士克洛喷气机库，其平面尺寸为125米×128米，网架型成为两向正交斜放网架，网格尺寸为9米，三层网架，总厚度为11.62米，三边支承，设有100吨位悬挂吊车。

覆盖面积最大的是西德杜塞尔多夫的一座大型展览馆，总覆盖面积为102600平方米。它由114个单元网架组成，每个单元尺寸为30米×30米。其中有32个单元采用空心球节点，82个单元采用螺栓球节点。

日本于1970年建成的大坂世界博览会的一个展览馆，采用了正放四角锥网架，其平面尺寸为202米×108米，支撑在六根钢柱上，网架的网格尺寸为10.80米，网架厚度7.6米。

英国伦敦航空港于1970年建成的波音747机库，其屋盖结构是世界最大的斜交斜放网架。网格为菱形，边长8.7米，屋盖分高、低跨两部分。低跨网架为138.7米×55.5米，高跨为170米×25.8米。高低跨度交接处支撑在一根脊梁上，其脊梁是一架长170米，高14.6米，宽3.4米的桁架。

在随着网架结构的广泛应用，各国的网架结构都已形成自己的体系，转向工厂化、商品化生产。每个体系都有自己独特的节点、不同的杆件截面和材料、安装单元等。网架的型成多由四角锥体组成。

在国外不但是大型公共建筑中应用网架结构，而且在工业厂房中也大量采用，在多层车库等多层建筑的楼板中也得到了应用。

五、国内的使用情况

网架结构在我国已有二十多年的历史，最早的网架结构屋盖是于1965年建成的上海师大球类房和1966年建成的天津科学窗。但是发展最快的还是七十年代。到目前为止，据不完全统计，全国已建成和正在施工的有五百多项，如体育馆、俱乐部、会馆、食堂、候机楼、工业厂房等。近来的建筑也逐渐采用了网架结构。典型的工程有：

●首都体育馆。屋盖采用了两面正交斜放网架，其平面尺寸为99米×112.2米，网格尺寸为6.6米，网架厚度6米，网架的杆件用角钢钢板节点，采用了高强焊接联接，于1967年9月建成。

●上海体育馆。屋盖采用三向网架，其平面形状为圆形，直径110米，网架厚度6米，网格为正三角形，每边长6.11米，周边支撑在36根柱上，杆件为钢管，用空心球节点连接，于1973年10月建成。

●大同矿务局体育馆。采用斜放四角锥网架，平面形状为椭圆形，长轴58.4米，短轴42.4米，下弦网格尺寸为4.24米，网架厚3.5米，于1975年建成。

●天津塘沽火车站候车室。屋盖采用抽空三角锥网架，平面形状为圆形，直径47.18米，网架厚度3.0米，周边支撑在24根柱上，于1977年12月建成。

●山西省煤管局北营仓库采用抽空四角锥网架，平面尺寸为59.4米×40.5米，网格尺寸为2.7米×2.7米，网架厚度2米，由六根钢柱支撑，于1979年3月建成。

●河北省邢台矿务局东庞选煤厂，采用斜放正四角锥网架共两榀，一榀的平面尺寸28米×49米，网格尺寸为3.5米×3.5米，网架厚度2.3米；另一榀的平面尺寸为14米×28米，网格尺寸为3.5米×3.5米，网架厚度1.5米，于1984年建成。

●另外还有淮北芦岭选煤厂、大屯选煤厂、准格尔选煤厂采用的网架制作的厂房屋盖的形成，均已建成。

第二章网架结构的设计要求综述

在河北省邢台东庞选煤厂的两个厂房，网架施工设计都采用斜放正四角锥形成网架，杆件采用钢管，连接采用球节点，空心球用的材质为16Mn和A3钢，钢管材料为热轧无缝钢管A3钢。大跨度网架平面尺寸为28米×49米（1372平方米），四周支撑在27.48米平面（相对标高）的钢筋混凝土圈梁上，总重81吨（包括起重机的行车钢梁和工作平台），网架下弦吊点有2台5吨电动单梁起重机，和一台3吨手动起重吊车。在28米（宽度）方向单向起拱260毫米，小网架平面尺寸为14米×28米（392平方米），总重11.77吨（包括起重机的行车梁），下弦节点下吊有一台5吨电动单梁起重机，在28米方向单向起拱130毫米。

第三章施工吊装方案的选择

1、大网架（小网架）吊装方案的选择。

在组织确定大（小）网架的小状方案时，我们充分考虑了现场的实际情况，考虑了三种吊装方案：

第一种方案：在浮选车间的机器设备基础上搭设工作平台，其平面面积为24.5米×45.5米，然后在此平台上焊接整个网架，将整个网架在此平台上焊接完毕之后，整体吊装就位。

第二种方案：也是搭设整个屋面的工作平台，只不过这个平台比第一种方案的平台要高，直接搭设在网架的安装位置上，然后在此工作平台上进行拼装网架。最后将整个网架直接放在四周的混凝土圈梁上。

第三种方案：利用在两个网架之间的混凝土屋面上进行拼装网架，即将整个网架分割成条状单元，在固定的混凝土屋面上的胎模上预先组装成单元条状网架，然后利用条状网架两端头的后配的塔吊起重机进行同步在高空进行整体的拼装（在网架下边加设计临时支撑）。

根据土建的工作面和工期紧的实际情况，第一、二种方案的安全性大，但较费时间，材料消耗大。最后确定采用的第三种方案进行吊装组装网架。

第四章球形网架的制作技术要求

1、下料

1）为了确保钢球及管材的质量，制作拼装前如发现与设计要求不符合的管件和钢球，应立即停止使用，如裂缝、锈蚀严重等。并要有材质证明材料试验报告，以保证材料符合设计要求。

2）下料前应对材料进行调查，并进行外观检查，对存在缺陷的材料不得使用。

3）构件的下料，对材料的规格和尺寸要求必须准确，下好的料应在构件上注明编号，便于管理和安装。

4）对壁厚为4毫米以上的钢管（含4毫米）的管端，均切割成45°的坡口，并在管的内侧留下1毫米的壁厚为平口。

5）在下弦杆的腹杆的两端内侧，防止衬管以便增加焊缝的厚度，提高球与管的焊接缝质量，衬管长40毫米，伸出杆端外3毫米，衬管外径比杆件的内径小0.5毫米，衬管壁厚为3毫米。

6）大、小网架起拱方式，经设计同意后为单方向起拱（短边方向）。原图上的杆件长度不能作为施工的下料尺寸，必须按单向起拱后重新计算杆件长度，然后进行下料。

2、网架小单元的制作、组装。

小单元构件是将网架的一部分预先在一个固定的胎具上制作，然后将制作好的小单元组装成条状的网架（条状网架在主厂房屋顶混凝土屋面上进行组装）。大网架先在车间的胎具上制作成28个小单元，组成小单元的胎具。

小单元胎具的制作精度是减少小单元构件和网架施工误差的关键，为了控制胎具的精确度，采取以下措施：

1）选择较稳定平整的基础

2）胎具的底座用较大的工字钢焊成整体，保证工字钢的面在同一水平面内。

3）上、下弦、钢球用钢管作支撑，支座中心的水平距离用集合闭合法控制，尽量减小误差。

4）胎具位置要便于操作，同时注意满足起吊设备的运行和操作时的空间要求。为了便于组装小单元，提高焊接质量和工作效率，将部分上、下弦杆先在地面焊成“哑铃式”杆件（每个小单元可焊成6只哑铃式构件）。

其工序如下：

A.将衬管点焊在下弦杆的两端，每端伸出3毫米。

B.在平方的工字钢上，点焊两个支撑空心球的支座（短钢管），其中心距离为上弦球（或下弦球）中心距加上2毫米的温度收缩量。哑铃式构件在此点焊成型，然后抬下，放置在2个可转动的支点上，另将一个转动把手夹在一个球上，由电焊工自己操作转动把手，边焊边转动。

C.用吊车先将下弦的“哑铃式”构件吊放就位，然后将上弦的“哑铃式”构件吊装就位，最后将腹杆就位并点焊上，检查杆件规格是否与图纸上的规格相同，检查无误后方可将各杆件焊上。

3、“人”字构件的制作

人字构件在小单元胎具上选择相应的位置制作，因为小单元胎具起拱与非起拱方向之别，用在起拱方向的人字构件，两根腹杆制成人字构件长短不了，应放在胎具的有起拱的支座上进行制作。用在非起拱方向的人字构件两根腹杆长度相同，应放在胎具无起拱的支座上制作。

4、焊接的技术要求

1）焊条的选用：焊接16Mn钢时要选用T506焊条，普通A3钢用T422焊条。

2）焊缝要求：焊缝质量必须严格保证，焊缝要求连续饱满，焊缝厚度均取连接构件厚度的1.2倍，但不得少于6毫米。各构件焊缝的使用厚度均按图纸要求操作施焊。所有焊条焊接之前必须烘干，否则不允许使用。因为使用受潮的焊条会使电弧的稳定性变坏，飞溅增大，且产生气孔，裂纹等焊接的质量缺陷。

3）烘干的时间要求：T506焊条需经250～300℃温度进行烘干2小时；T422焊条需经70～150℃温度烘干2小时。焊缝应具有良好的机械物理性能，抗拉强度等技术要求符合施工规程要求。凡参加焊接的焊工必须经过考试，并具有相应的证件。

第五章网架结构杆件长度的计算

1、28米×49米网架杆件长度的计算：

本网架为单向起拱，在28米方向单向起拱260毫米，49米方向不起拱。为计算方便，在计算过程中，均以米为单位，计算的有效数保留到毫米单位 ，小数点后一位。坐标系的选取，本网架28米方向为Y轴方向，49米方向为X轴方向。

本网架共有Φ380×10的钢球318个，Φ380×14钢球40个，杆件共有1138根，其中上弦杆488根，下弦杆202根，腹杆448根。

管材共有以下九种规格：Φ57×3.5，Φ76×4，Φ×4，Φ108×4，Φ114×4，Φ133×5，Φ146×5，Φ159×7，Φ168×10。

上弦杆件无衬管，下弦杆和腹杆有衬管。

1）上弦杆长度计算公式（无衬管）

S=Q-2x+2t————（1）式

Q——空心球心距离

X—钢管内壁与钢球外径接触点距球心平行于钢管轴线的距离

X=

R——空心球外径之半

R——钢管内径之半

t——每圈焊缝温度收缩量   取t=1毫米

2）下弦杆长度计算公式（有衬管）

X=Q-2l+2t-2a————（2）式

t——钢管内壁与钢球外径、接触点距球心平行于钢管轴线的距离。

t=

a——衬管伸出杆件每端的长度，取a=3毫米

Q、t、R、r——   同（1）式

3）腹杆长度的计算公式（有衬管）

A：非起拱方向计算公式：

 h

           G    G

F△=Q*-2x+2t-2a——（3）式

Q*=

G——相邻两球心距之半（沿水平方向）

t=上、下弦球心的高度。

B：起拱方向计算公式：

F①=Q①-2X+2t-2a      Q①=——（5-1）

F②=Q②-2X+2t-2a      Q②=——（5-2）

△h——相邻两球之间起拱方向的高差。

本工程在28米方向起拱260毫米，△h=260/4=65毫米

H=2.3米      （计算过程略）

2、上弦、下弦、腹杆的计算步骤：

1）上弦杆的计算

S-1的计算；Φ×4   r=40.5mm=0.0405m

S-1’==2.475

Q=S-10==2.4752

X===0.1856

由S=Q-2X+2t  得：

S-1=2.4752-2×0.1856+2×0.001=2.106

即：S-1=2106毫米

S-2的计算：Φ133×5  t=0.0615

S-2’=S-1’=2.475

S-20= S-10=2.475

X==0.18

S-2=Q-2X+2t=（S-20）-2X+2t=2.4752-2×0.18+2×0.001=2.1172

即：S-2=2117.2毫米

S-3的计算：Φ133×5  r=0.0615

S-3=S-2=2117.2毫米（计算略）

（S-4、S-5计算略）

2）下弦杆的计算：

X-1的计算：Φ×4  t=0.0405

X-1（y）的计算：Q==3.501

l====0.1856

X-1（y）=Q-2l+2t-2a=3.501-2×0.1856+0.002+0.006=3.1258

即：X-1（y）=3125.8毫米

X-1（X）的计算：

X-1（X）=3.5-2×0.1856+0.002-0.006=3.1248

即：X-1（X）=3124.8毫米

（X-2（y）、X-2（X）、X-3、X-4、X-5、X-6、X-7计算略）

3）腹杆的计算：

F-1的计算：Φ76×4   r=0.034

F-1（y）的计算：

X===0.187

Q①===2.83

Q②===2.916

F-1（y）①=2.83-2×0.187-0.004=2.4863

F-1（y）②=2.916-2×0.187-0.004=2.538

即：F-1（y）①=2486.3毫米

F-1（y）②=2538毫米

F-1（x）的计算：

Q===2.

F-1（x）=2.-2×0.187-0.004=2.512

即：F-1（x）=2512毫米

（F-2（y）、F-2（x）、F-3、F-4、F-5计算略）

4）空心球设计计算的规格，试验及计算强度，试验数据表。

◆设计要求的数据见表1-1

试球的规格、数量、试验方法及计算强度    表1-1

◆Φ380×14空心钢球机械性能试验报告（略）

◆Φ380×14空心钢球抗压机械性能试验报告（略）

◆Φ380×14空心钢球抗拉机械性能试验报告（略）

5）弦杆、腹杆金属材料物理性试验报告   表1-3

具体的是将同一种规格的的管材，割成两部分，在两段管的端头部位打成45°坡口，然后对在一起，沿管周360°进行平、立、仰焊部位截成300毫米长截面为30×4mm2的试件，即从焊缝处每端为150毫米的试件（长×高×厚为300×30×4）

                焊缝（宽4mm）

30

                 300

      28米×49米网架杆件长度明细表    表1-4

6）大网架（28米×49米）上弦球与屋面板之间的Φ×4支撑钢管长度明细表（支撑管Φ×4上有180×180×6的钢板） 支撑钢管长度及根数明细表   表1-5                   

在进行网架施工中，由于此网架的制作工业要求和焊接质量要求比较高，杆件的长度在下料时要进行反复核实，并注意起拱方向。每根杆件必须认真作好编号，并在焊接前重新检查一遍。同时在安装时的安全要求必须进行在前面交底和对作业人员的培训等工作。

a）在网架的制作安装过程中，如下料、焊接、拼装、吊装等工序中，由于各工种互相配合施工，交叉施工，各个工种都必须严格执行有关的规范和有关技术安全操作规程，并认真了解在作业防护操作方面的规章制度等。

b）参加高空作业的人员应持证上岗，不得带病作业。

c）高空作为不得违章指挥、违章操作，不得随意穿过作业区域。

d）应佩带好防护服装、安全带和安全帽，以及焊接时的防护罩和防护镜等。

e）高空作业传递器材和工具时，经由专业的人员和设备进行，不得随意扔接等。

f）做好防火的措施，配套的消防用品及各种标识。

g）在风天、雨天和影响吊装的不良天气，应停止吊装。

h）严格进行现场的作业区域管理，做好应急预案和相应的应急准备。

i）进行统一的协调和指挥，有组织有顺序的进行安装前安排好的施工组织工作。

结束语：

目前我国的大跨度网架结构的发展非常迅速，广泛的应用在工业建筑和民用及商业建筑工程中,对大跨度网架施工技术的要求也越来越高。然而对网架的施工作业和设计规范的管理都要进一步完善和加强。推广大跨度网架结构，对我国大的市场环境及大空间的利用都有着较大的经济效益和推广价值。

作者简介：

李文，邯郸市宁都房地产开发有限公司  总工程师

高级工程师，国家注册一级建造师，国家注册安全工程师

地址：河北省邯郸市丛台路56号  056003

邮箱：Liwen1956@sina.com

杨功臣，邯郸市宁都房地产开发有限公司  副总经理                  

高级工程师,国家注册一级建造师

地址：河北省邯郸市丛台路56号 056003

注：本文仅代表作者个人观点，如有不同意见，可发邮件讨论，互相切磋，共同进步。