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网架结构优化设计解析
发布时间:2017-11-25 19:27:36 浏览: 645


网架结构是一种高次超静定结构,在大型展馆、体育场馆、会议室、高铁站、机场等工业商业建筑上有广泛的应用[1,本文结合网架结构的性能特点和力学特点,分析了网架结构优化设计的思路和措施,供同行研究参考。

[关键词网架结构 设计 构件受力

网架结构是若干杆件组成的网架基本单元(包括三角锥、正方体、截头四角锥等)通过铰接形成的空间多次超静定结构。连接网架基本单元的结构叫做网架节点,根据其方式不同,通常分为焊接球节点、螺栓球节点以及钢板节点等。我国自1964年建成第一个平板网架建筑—上海师范大学球类房以来,网架结构已经广泛应用于各类建筑[2。

一、网架结构的特点

(一)网架结构的功能性特点

本文所谓的功能性特点,指的是网架结构在使用功能、经济性能、美观功能和社会效益等方面区别于其他建筑结构形式的明显特征。这些特征主要包括经济合理、节能环保、大方美观、结构灵活等。

网架结构由于其都是模块化组装,施工周期较短、耗材相对较少,在人工、材料等方面相比框架结构、框架剪力墙结构等传统的建筑结构形式具有明显的经济合理性;另一方面,网架结构建筑由于易拆易建,适应于临时性场馆、展馆建筑,加之其减少了混凝土、砌块、砂石等材料的使用,使用材料和施工方式对环境污染较少,更有利于节能减排;再者网架结构由于是模块化组装,结构灵活、外形大方美观,在最近几年的高铁站建设上就有着明显的体现。

(二)网架结构的力学特点

如前文所述,网架结构属于高次超静定结构,其受力特点自然符合高次超静定结构的力学规律。网架结构的力学特点主要包括如下几个方面:

1.整体刚度大,不易变形,抗震性能好

由于高次超静定结构对于形变的约束往往由两个以上的作用力,因此增大了其整体刚度,从而增加了抗震性能[3。

2.结构对单个杆件的依赖力较弱

如果是静定结构,一个杆件的破坏可能导致整个结构发生形变和破坏,而超静定结构则不然,一个杆的破坏只会改变受力传导方式,而由别的杆件受力从而保持结构的稳定。网架结构的这个力学特征是保证其稳定性的重要因素。

3.受力方式复杂

一是网架结构的受力体系复杂,一个杆件有可能在不同的时间段或者不同的荷载作用下承担不同方向的受力,即起到受压和受拉的双重作用。二是网架结构可变荷载的存在,导致了其受力的复杂性,如网架结构建筑,在风荷载、雪荷载等可变荷载的作用下,内部杆件的受力方式会发生改变,这种改变往往是动态的、偶然的,不易预测的。

二、网架结构优化设计思路与措施

传统的网架结构设计方法一般是根据网架的布置形式、杆件接点的材料与规格、荷载分布情况等进行建立力学模型验算其承载力,得出可行或不可行的结论。基于网架结构的上述特点,在网架结构设计过程中,用严谨、科学、创新的设计理念,对网架结构进行设计优化。

(一)多维度极限设计思想进行构件选型

多维度极限设计,指的是在设计过程中,假设多种不利因素均达到极限状态[4,如:风荷载、雪荷载、构件的疲劳老化等。然后在这种极限状态的作用下,倒推计算网架结构构件的承载力,并依此作为构件选择的依据。在这种思想下,构件的承载力是极限状态下各种作用力的函数;同时构建的构件(如杆件)的规格、材质等又是构件极限状态承载力的函数;通过两次数学计算,即完成了对构件的选型。

Y=f(x1,x2,x3……) (1)

X=f(Y,z1,z2,z3……) (2)

上式中:

代表极限状态下的构件承载力;xi代表各种极限状态下的作用力;X和zi代表杆件的相关参数;在公式(2)中,Y就成了常量,公式(2)就是通过构件的既定参数确定未知参数的过程。

上述优化过程是多层次的,要根据受力传导体系进行分层、分单元计算,通过计算机建模、软件开发等手段实现精准测算;雪荷载、风荷载、地震荷载的确定要查阅当地历史资料,根据标准规范和实际需求采用合理的历史最大值数据(如50年一遇、100年一遇等)。

(二)将单位自重承载力系数作为网架结构优化指标

本文所指的单位自重承载能力,指的是一个重量单位自重的网架结构所承载的最大的作用力。引入这个系数,并将此作为衡量网架结构优化设计效果的重要参数。

网架结构在承担外部荷载作用的同时,自重也增加着构件的负载量。如何运用最小的自重承载最大的荷载,这需要设计者在结构优化、材料选型等方面进行分析探讨。

(三)推荐使用新技术、新材料、新工艺

新技术、新材料、新工艺的使用往往会在优化设计中起到立杆见影的作用,运用自重轻、刚度和强度使用要求的新型材料可以有效降低自重荷载,运用新的构建连接技术工艺,增加节点的力学性能,从而改变传统的网架结构布置格局。

新材料的选型要注重两个方面,一是要确保其力学性能优于传统材料,二要确保新材料的耐老化、耐腐蚀、耐疲劳等指标不得低于传统材料,既要注重其现实性能也要注重潜在性能;否则,就会顾此失彼,影响了网架结构的使用寿命和安全。

(四)运用合理的外形和措施降低或转移偶然自然荷载

偶然自然荷载,指的是雪荷载、风荷载、地震等,可以通过网架结构外形设计达到转移和减少这些荷载作用的效果。如可以根据当地的风力风向,设计有利于避风、疏风的外形结构。通过陡峭、错落的顶面设计,降低积雪积压,可以运用太阳能等新能源装置设计融雪清雪系统,及时转移和消除需荷载。在地震多发地带,设计整体性刚度大、但与地基柔性接触的网架结构建筑,通过柔性接触面释放地震荷载,保持主体建筑的稳定性和整体性,起到“以柔克刚”的效果。

(五)灵活模块化设计思想

设计者应该进一步发掘和创新网架结构建筑模块化和灵活性的特征,在易老化、易腐蚀、易损坏的部位,运用结构体积不大、多维度约束力共存、易于替换的模块,便于局部维修和更换。

三、结论

网架结构是超静定空间受力结构,在各种展馆、体育馆、机场、车站等建筑中有广泛的应用,与传统建筑结构形式相比,具备经济合理、节能环保、拆建灵活、大方美观等优点,同时具备整体性强、刚度大、抗震性能好、空间受力形式复杂、多单个杆件的依赖性弱等特点。基于其性能优点和力学特点,设计者要不断创新优化设计措施,运用创新、先进、合理的设计理念,对网架结构力学体系进行深入分析研究,从细节上入手,不断完善网架结构受力形式。通过多维度极限设计思想,充分保障构件选型的可靠性和安全性,引入网架结构单位承载力系数等指标,对设计优化进行评价评估,推荐使用新技术、新工艺、新材料,实现网架结构建筑的创新和性能完善,运用一定的设计思想和技术措施转移或减少偶然自然荷载对结构的影响和破坏,进一步探索其灵活性的开发潜力,以设计建造安全可靠、经济合理、时尚先进、美观大方的网架结构建筑。

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