许官飞
中石化石油工程设计有限公司新疆分公司 新疆库尔勒 841000
摘要：随着油田地面建设的深入发展，传统建筑结构已经无法满足建设单位高标准、严要求的建设需求，在油田一些大型公共建筑中，在客观上提出了采用网架结构替代平面结构以增加安全性的要求。为此，本文将针对当前网架结构的大跨度大空间在结构设计中遇到的问题展开分析。掌握网架结构的设计方法，对从事钢结构设计的工作人员非常必要。
关键词：空间结构；网架；支承方式；节点设计
Solution to the problem of grid structure design
Xuguanfei
Xinjiang branch of sinopec petroleum engineering design co. LTD
Abstract: with the in-depth development of oilfield ground construction, the traditional architectural structure has been unable to meet the construction requirements of high standards and strict requirements of the construction unit. In some large public buildings in the oilfield, it is objectively proposed to use the grid structure to replace the plane structure to increase the safety requirements.Therefore, this paper will analyze the problems encountered in the structural design of the current grid structure with large span and large space.It is necessary to master the design method of grid structure for the steel structure design staff.
Key words: spatial structure;Rack;Supporting mode;Node design
网架结构是由多节点、多杆件组成的空间结构。它具有多项受力的性能，空间刚度大，整体性强，并有良好的抗震性，制作安装方便，是我国空间结构中发展最快、应用最广的结构形式之一。
1.网架结构设计原则
1）.空间网架结构应进行在屋面恒荷载、屋面活荷载、风荷载、檐口广告牌荷载、下弦杆装修荷载作用下的内力、位移计算，并应根据具体情况对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载作用下的内力、位移进行计算。
2）.对非抗震设计时，荷载及荷载效应组合应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2012进行计算，在杆件截面及节点设计中，应按照荷载效应的基本组合确定内力设计值；在位移计算中应按照荷载效应的标准组合确定其挠度。对抗震设计荷载及荷载效应组合还应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》（2016年版）GB50011-2010 确定内力设计值。
3）.网架结构受力分析时，可假定节点为铰接，杆件只承受轴向力，宜采用空间杆系有限元法进行计算。
4）.空间网架结构的外荷载可按静力等效原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。当杆件上作用有局部荷载时，应另行考虑局部弯曲内力的影响。
2.网架结构的选型
1).网架结构分类
按照结构组成分类，主要有以下三种网架结构。第一种为双层网架，即：具有上下两层弦杆的结构，其最简单也是最为常用的网架结构形式。第二种为三层网架，即：双层网架基础上在中间加上一层弦杆，当网架跨度≤50m时，一般不采用此种网架结构形式；若跨度50<L≤80m时，则需要将其作为优先考虑设计方案。第三种为组合网架，即：利用具有良好抗压性的钢筋混凝土板替代上弦杆，将不同组织材料构建成为网架的最基本单元，最终形成网架结构。
2).网格结构形式
根据网格结构形式，可以分为以下几种形式：1）四角锥体系。在该网架体系中，其所采用的上下弦杆均呈现出明显的正方形，或者根据建筑具体结构设计成与正方形相接近的矩形网格，并且上下弦杆之间稍稍错开，通常是以半格为宜。2）网架三角锥体系。三角锥体系网架结构的基本单元为一组呈倒置姿态的三角椎体，上弦杆布满了三角锥体系的锥底正三角形的各部分空间，而其结合棱部位采用腹杆与之相连接。一般情况下随着三角锥单元体的布置方式所呈现出的差异，其上下弦网格将会由此而呈现出正三角形或者是正六边形。3）折形网架。在设计过程中，折形网架被称之为折板网架，其主要是由四角锥网架正放而演化出来的一种全新网架结构。在所需要施工的建筑平面长宽之比≥2时，可以考虑取消长向弦杆，使得网架内力沿着短向弦杆外延，继而形成折形网架结构。
在油田地面建筑结构设计中，目前主要用到双层网架，采用正放四角锥结构形式。
3.网架结构支承形式
网架结构的支承方式可分为：周边支承网架、三边支承网架、两边支承网架、点支承网架和周边支承网架与点支承网架结合的网架。
周边支承网架指网架周边边界上的全部节点或部分边界节点为支座节点，支座节点可支承在柱顶、圈梁，也可以支承于联系梁上。该形式网架传力直接，受力均匀，网架受力类似于四边支承板，设计采用较为普遍的一种支承方式。为了减少弯矩，也可以将周边支座进行适当缩进，从而减少网架跨度。
三边支承网架指当矩形建筑物的一个边轴线上因生产的需要必须设计成开敞的大门和通道，或者因建筑功能的要求某一边不宜布置承重构件时，则为三边支承网架。两边支承网架指四边形的网架只有其相对两边上的节点设计成支座，其余两边为自由边，这种网架支承方式应用极少。
点支承网架的设置原则是通过正弯矩和挠度减少，使整个网架的内力趋于均匀对于单跨多点支承，受力与无梁楼盖类似。在设计过程中，为了减小跨中正弯矩和挠度，结构设计应设计悬挑，网架悬挑长度宜取中间跨的1/3，对于多跨多点支承，悬挑长度宜取中间跨的1/4 。点支承网架与柱子相连宜设柱帽以减小冲剪作用。柱帽可设置于下弦平面之下，也可设置于上弦平面之上。当柱子直接支承上弦节点时，也可在网架内设置伞型柱帽，这种柱帽承载力较低，适用于中小跨度网架。
周边支承网架与点支承网架结合的网架是指周边支承的基础上，在建筑物内部增设中间支承点，这样可以有效地减少网架杆件的内力峰值和挠度。该形式特别适用于大柱网工业厂房、仓库、展览馆等建筑。
4.网架结构构造设计
1）.网格尺寸
屋面材料当屋面采用无檩体系（钢筋混凝土屋面板、钢丝网水泥板）时，网格尺寸一般为2～4m。若网格尺寸过大，屋面板重量大，不但增加了网架所受的荷载，还会使屋面板的吊装发生困难。当采用钢檩条屋面体系时，檩条长度不宜超过6m。网格尺寸应与上述屋面材料相适应。当网格尺寸大于6m时，斜腹杆应再分，此时应注意保证杆件的稳定性。
网格尺寸与网架高度的比例关系。应使斜腹杆与弦杆的夹角大于45o，且不宜小于300，这样节点构造不致发生困难，杆件受力较好。
材料规格。采用合理的钢管做网架时，网格尺寸可以大些；采用角钢杆件或只有较小规格钢材时，网格尺寸设计应较小。
2）.网架高度
网架高度越大，弦杆所受力就越小，弦杆用钢量减少；但此时腹杆长度加大，腹杆用钢量就增加。反之，网架高度越小，腹杆用钢量减少；弦杆用钢量增加。因此网架需要选择一个合理的高度，使得用钢量达到最少；同时还应当考虑刚度要求等。合理的网架高度可根据网架跨高比来确定，具体见下表。
网架选型构造表
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5.屋面材料及屋面构造
设计人员要实现网架结构经济省钢，选择适当的屋面材料是一个关键。在网架结构设计中，应尽量采用轻质、高强，具有良好保温、隔热、防水性能的轻型屋面材料。根据所选屋面材料性能的不同，网架结构的屋面分为有檩体系屋面和无檩体系屋面。
当采用在网架上铺设木板作为屋面结构层，上面再做柔性防水层和铝合金板保护层。当需要保温时，可在木板下面做隔热层。这种做法的屋面自重较轻，一般在1.0～1.3kN/m2范围内，但防火性能较差。压型金属屋面板是近年发展出来的新型屋面材料。它是用厚度为0.6～1.6mm的镀锌钢板、冷轧钢板、彩色钢板、或铝板等原材料，经辊压冷弯成各种波形的压型板。目前主要使用的轻型屋面材料为Q235钢压型钢板或压型夹芯板。这种屋面材料具有轻质高强、美观耐用、施工简便、抗震防火的特点，它的加工和安装已经达到标准化、工厂化、装配化。压型钢板可直接铺设在钢檩条上。这种屋面的重量为1.0～1.8kN/m2。
总之，空间网架结构能够达到大跨度、大空间的技术要求，较其它结构形式，具有技术先进、安全适用、经济合理的性能优势。
作者简介：许官飞（1988-），男（汉族），安徽芜湖人，中级工程师，本科学历，毕业于石河子大学土木工程专业，现在中石化石油工程设计有限公司新疆分公司从事结构设计工作。
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参考文献：
[1]蓝天、张毅刚《大跨度屋盖结构抗震设计》北京 中国建筑工业出版社，2000
lantian, zhang yigang, seismic design of large-span roof structure, Beijing China architecture industry press, 2000
[2]李国强，李杰，《建筑结构抗震设计》北京 中国建筑工业出版社，2002
li guoqiang, li jie, seismic design of building structure, Beijing China architecture industry press, 2002
[3]《钢结构设计标准》GB50017-2017中国建筑工业出版社，2017
Steel structure design standard gb50017-2017 China architecture industry press, 2017
[4]《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010中国建筑工业出版社，2010
Technical specification of spatial grid structure. Jgj7-2010. China architecture industry press, 2010