试论钢网架结构设计方法及其优化措施

赛福鼎·乃吉木

摘 要：建筑业不断发展，使各项技术得到推广与应用，钢网架结构覆盖跨度较大、受力合理，更加符合人们对建筑结构设计水平高层次的需求，建筑稳定性强的同时，外形也变得更加美观实用，良好的技术能够从全方面提升建筑品质，使建筑物综合性价比更高。钢网架结构的推广与应用，能够从技术层面给设计师提供丰富的创作自由，而且其整体较小构件还可进行工厂的提前预制，大大减少了工期，节省了预算投资，经济合理，受到施工单位欢迎，钢网架结构设计在我国当前建筑工程中有着非常广泛的应用。文章主要通过对钢网架结构设计方法的分析，进一步提出优化措施，以此促进我国建筑结构设计水平发展。

关键词：网架结构；节点；杆件；优化

1 钢网架结构的选型

钢网架结构较为复杂，需要进行科学的选型，才能确认整体结构。钢网架结构是空间铰接杆系结构，一定要全面考虑到整体结构在力学上的问题，确保结构更加稳定。按现行标准要求，网架结构设计要满足受力需要，对外部压力、受力方向要严格遵守设计要点，保证在受到任何外力作用下，网架结构均稳定平衡，不发生变形问题，实现结构整体的安全性。要想从根本上确保网架结构稳定，就需要按使用功能，对网架结构做好科学的选型，良好科学的选型结构直接关系到整体结构，所以要根据实际情况确定选型，保证安全稳定。选型时，一要全面考虑几何问题，因为结构几何不确定则会出现更多的可变量，影响到结构稳定。在实际施工过程中，网架结构样式非常多，要根据使用功能、所处区域特征做好选型，在具体选择时，要看建筑平面、尺寸、荷载、网架、安装及成本，做好全面选择，以经济性原则为出发点，从几个设计方案中择优选择一个设计思路。在选型时，要全方位考虑，一是看用钢量多少，用钢量是主要考虑的方向，要在经济性原则基础上，确保用量最少，材料最少，平面比较接近正方形时，斜放四角锥网架结构最经济合理，正放四角锥结构仅次于斜放四角锥结构；二是连接点差价，杆件与节点连接部位造价也要保证安全的前提下，成本最低；三是安装费用，各种材料运输和安装费用也关系到经济效益，所以要综合考虑各项经济指标。通过实践证明，选型最好的结构是三角锥和四角锥，按这种几何单元确定的网架结构非常稳定，是施工中经常用到的几何单元形式，能够保证各个结构上的稳固，具有不变性的明显特点。

2 钢网架结构设计方法

2.1 网架结构杆件设计

网架结构设计常用形式是钢网架，Q235和Q345钢材用量较大，相对其他钢材而言，力学性能较好，性差比较高，同时，在进行施工时，焊接性能也是最佳，稳定性强、安全性高，在施工中能够大面积使用与推广。钢网架结构杆件截面形式多种多样，空腹载面呈现力较好，圆钢管和方钢管均有良好的性能，在惯性矩方面表现较强，能够承受巨大的外力作用，而不出现变形。空腹截面焊接封闭后，内部稳定不易腐蚀，同时，在使用过程中，表面积水积灰现象也较少，施工中能够大面积使用。

2.2 网架结构节点构造设计

节点构造设计非常重要，直接关系到整体结构的稳定程度，是钢网架结构设计中最关键的部位，这主要是因为所有杆件均要通过节点，利用节点对各部位进行连接，结构中的节点受力最大，是传递荷载、承受作用力最大的关键部位，只有全面做好节点设计，才能确保结构整体上的稳定。节点设计非常重要，要全方位考虑应力和传力特性的问题，处理好受力承载点，要从结构造型上充分考量，做好受力点的计算与选择，使节点更加精准可靠，保证受力均匀稳定。在进行设计选择时，更要考虑到后期制作、安装、施工和造价等因素，只有全面考虑才能保证工程整体的施工方案更加科学合理。从实际操作上看，网架结构节点主要由内部节点和支座节点两大类构成，不论哪类设计，均要考虑到构造受力传力问题，确保可靠、简单、方便。

2.3 网架结构设计注意事项

我们进行钢网架结构设计过程中，要注意几个问题，特别是首先考虑好受力点是否合理，只有受力点合理科学，才能保证结构的稳定可靠，各细节需要做好精算，符合工程造型特点，保证结构美观实用。要进行设计时，根据建筑使用用途、功能等特征，结合实际造型方案，全面设计好各受力点，通过合理布置，保证结构稳固，确保方案可行；其次，要从安装角度进行考虑，设计美观不等于安装方便，所在设计时，还要考虑到工程进度，确保受力合理的基础上，考虑到安装操作流程，为结构稳定性提供保障；最后是经济性，造价是工程避不开的问题，结构设计也要考虑到工程造价的问题，保证稳定安全前提下，使工程投入最小化、最优化。

2.4 网架结构耐久性对策

钢网架结构使用材料为钢材，钢材易锈蚀，会大大降低杆件截面面积，影响网架结构稳定和安全。对环境潮湿的则会导致钢网架锈蚀速度加快，缩短钢网架结构使用寿命。主要方法如下，一是钢材炼制增加合金元素，改变金属结构组织提高抗锈蚀能力；二是钢材表面使用金属镀层；三是钢材表面涂非金属保护层，经济合理、效果良好。

3 网架结构的屋面排水

网架结构是一项较大的工程，整体建筑屋面面积较大，对这样的层面需要做好科学统筹，保证屋面排水流畅，那么在进行设计时，就需要全面考虑到使用的问题，不能出现积水影响工程质量问题，网架屋面排水方式多种多样。

3.1 网架变高度

要想保证结构排水流畅，则需要通过计算来实现，一般情况下，网架跨中高度需要不断增加，使上弦杆形成屋面排水坡度，下弦杆仍与地面平行，这种排水方式较为常用。跨中高度增加能使弦杆内力降低，但上弦杆和腹杆种类增多，虽然制作和安装困难，但这种做法能够提高网架整体的抗震性能，增强稳定性的同时，起到良好的排水效果。

3.2 整个网架起拱

这种方式排水效果较好，平方根是采用整个网架起拱的方式进行处理，使屋面排水更加流畅快速。主要方法是使网架上、下弦杆仍保持平行，只将整个网架在跨中进行有效抬高，使中间部分拱起，计算高度时，需要对起拱高度做好测算，一般需要根据屋面排水坡度确定，处理不好，起拱过高会对杆件内力产生巨大影响，如果过低，则起不到良好的排水效果，采用这种方法的优点是结构抗震性能好、整体稳定性强。

3.3 上弦节点上设小立柱

这种方法也較为普遍，主要是在网架上弦节点上做一个小立柱，这样就能形成排水坡，这种方法较为灵活，只要改变小立柱的高度和布置情况，就能够形成双坡、四坡或其他更复杂的多坡排水系统。如果网架跨度大，那么对小立柱高度的要求也越精细，如果处理不当，则小立柱抗震性能就会变差。

4 网架结构优化设计

钢网架结构优化设计包括网架类型优化、网架跨度优化及网架高度优化三种。不同网架类型对要件要求也不一样，同样下用钢量也不同。用钢量少的主要是正放四角锥网架、斜放四角锥网架、抽空四角锥网架和棋盘四角锥网架，这些结构最为常用。网架跨度影响网架厚度和网格尺寸，进行网架优化设计需要准则法、数学规划法和系统迭代优化设计方法等一系列方法，不同的方案使用不同的设计方法，但在全盘考虑到网架结构特征参数，同时根据构造经验对优化结果进行调整，使设计更近实际。

5 结束语

钢网架结构设计在我国建筑结构设计中应用比较广泛，是综合性较强的结构设计方式，进行设计时，综合考虑建筑使用用途、受力负荷及环境因素，制定最佳方案，才能促进我国建筑结构不断发展。

参考文献

[1]金志强，孟根宝力高，李艳楠.异形单层钢网架结构设计[J].钢结构，2012.

[2]蒋涛，付长春，张同波.大跨度复杂造型钢网架拔杆提升系统设计[J].施工技术，2010.