网架结构设计与施工要点：大跨度、低耗钢、高承载能力的工程应用

网架结构具有能够实现大跨度的特点，它耗钢量低且承载能力高，还能依据建筑设计的要求实现不同的造型，因此在工程上被大量应用。

网架结构在我国已应用了数十年。其设计水平较为成熟，施工方法也相当成熟。在设计过程中，要做到技术先进；在施工过程中，要做到安全适用、经济合理且质量可靠。

A、网架结构杆件设计

空间网格结构的杆件可以选用普通型钢以及薄壁型钢。管材比较适宜采用高频焊管或者无缝钢管，倘若具备相应条件，应当采用薄壁管型截面。杆件所使用的钢材以及截面，需要依据现行国家标准《钢结构设计标准》CB50017，通过对强度和稳定性的要求进行计算来确定。

空间网格结构的最大挠度值不应超过下表中的容许挠度值

网架可以使用上弦或者下弦来进行支承。如果采用下弦支承的方式，那么就应该在支座边构建出竖直或者倾斜的边桁架。对于多点支承的网架，比较适宜设置柱帽。柱帽最好设置在在下弦平面的下方（如图 1a 所示），同时也可以放置在上弦平面的上方（如图 1b 所示）。

2、确定杆件的长细比时，其计算长度应按（表一）采用。

3、杆件的长细比不宜超过（表二）中规定的数值。

杆件截面的最小尺寸需依据结构的跨度以及网格大小通过计算来确定。普通型钢的最小尺寸不宜小于 L50×3，而钢管的最小尺寸不宜小于 Φ48x3。

空间网格结构杆件分布需保证刚度的连续性。相连续的杆件，其截面差不应超过 20%。截面规格差不宜大于 2 档。对于多点支承的网架结构，其反弯点的上下弦杆要按照构造加大截面。

低应力且小规格的受拉杆件，适宜按照受压杆件来控制杆件的长细比。

杆件在构造设计时，应避免出现这样的情况：存在难于检查的部分，存在难于清理的部分，存在难于油漆的部分，以及存在容易积留湿气的死角或凹惜。

B、网架结构节点设计

1、焊接空心球节点

两个半球心球，根据受力的大小，一种是不加助（图 1），另一种是加助（图 2），这两种方式都适用于连接钢管杆件。

空心球的钢材可选用国家标准《碳素结构钢》所规定的 Q25B 钢，也可选用《低合金高强度结构钢》所规定的 Q345 钢。

3. 焊接空心球需要满足以下构造要求。

网架和双层网壳空心球的外径与壁厚的比例，最好取 25 到 45 之间；单层网壳空心球的外径与壁厚的比例，最好取 20 到 35 之间；空心球的外径与主钢管外径的比例，最好取 2.4 到 3.0 之间；空心球壁厚与主钢管壁厚的比例，最好取 1.5 到 2.0 之间，并且空心球的壁不能小于 4mm。

无肋空心球的成型对接焊接需满足（图 1）的要求，有肋空心球的成型对接焊接需满足（图 2）的要求。加助空心球的肋板可借助平台或凸台，若采用凸台，其高度应不超过 1mm。

钢管杆件与空心球相连接时，钢管需要开坡口。在钢管与空心球之间，应留出一定的缝隙，并且要将其焊透，这样才能使焊缝与钢管等强。如果做不到这一点，就应按照角焊缝来进行计算。为了确保焊缝的质量，可在钢管头加上套管与空心球进行焊接（如图 3 所示）。套管的壁厚不小于 3mm。角焊缝的焊脚尺寸 hf 需符合特定要求，具体如下：若钢管的壁厚 tf 小于等于 4mm，那么 hf 应小于等于 1.5tf；倘若 tf 大于 4mm，hf 则应小于等于 1.2tf。

在确定空心球的外径时，需要注意球面相邻杆件之间的净距情况。这种净距不宜小于 10 毫米。（如图 4 所示）

当空心球的直径比较大，并且杆件的数量也比较多的时候，为了能够让焊接球节点的直径得以减少，是允许一部分腹杆与腹杆相互交会，或者腹杆与弦杆相互交会的，不过必须要满足以下这些构造方面的要求：

（1）所有汇交杆件的轴线必须通过球中心线；

汇交的两杆中，若其中一根杆件的截面积较大，那么这根杆件必须将其全截面焊接在球上；当两杆的截面积相等时，取受拉的那根杆件进行全截面焊接在球上。而另一根杆件则采用坡口焊的方式焊接在相交的腹杆上，并且要保证有 3/4 的截面焊接在球上，同时还需要用加劲肋板对其进行加强。

（3）受力大的杆件可按（图5）设置加劲肋板,或增设支托板。

当空心球外径不小于 300mm 时，若杆件内力较大，可在内力较大杆件的轴线平面内设加劲肋，以提升其承载力；当空心球外径不小于 400mm 时，若内力较大杆件为压力，可在内力较大杆件的轴线平面内设加劲肋；当空心球外径不小于 500mm 时，必须在压力较大的杆件的轴线平面内设加劲肋。加劲肋的厚度不应小于球壁的厚度。

2、螺栓球节点

螺栓球节点包含高强度螺栓、钢球、紧固螺钉、套筒以及锥头或封板等零件（如图 6 所示）。它适用于双层网壳和网架等空间网格结构的钢管杆件。

用于制造螺栓球节点的钢球的材料可按（表三）规定，且应符合相应标准的技术条件；用于制造螺栓球节点的封板的材料可按（表三）规定，且应符合相应标准的技术条件；用于制造螺栓球节点的锥头的材料可按（表三）规定，且应符合相应标准的技术条件；用于制造螺栓球节点的套筒的材料可按（表三）规定，且应符合相应标准的技术条件。产品质量符合现行行业标准《钢网架螺栓球节》的规定。

高强螺栓的性能等级需按螺纹规格来选用。对于 M12 到 M36 的高强螺栓，其强度等级选用 10.9 级；而对于 M39 到 M64 的高强螺栓，其强度等级选用 8.8 级。螺栓的形式与尺寸要符合现行国家标准《钢网架螺栓球节点用高强度螺栓》的要求。

受压杆件的连接螺栓直径，在按其设计内力绝对值求得螺栓直径计算值之后，可按照（表四）的螺栓直径系列减少 1 至 3 个级差，不过要保证套筒在任何截面都具有足够的抗压强度。

套筒的外形尺寸需符合扳手操作的要求，其端部要求平整。套筒的内孔径可比螺栓直径大 1mm。套筒应按照空间网格结构相应杆件的最大轴向承载力，以压杆为依据进行计算，同时还要验算其端部有效截面的局部承压力。

空间网格结构杆件端部需用锥头或封板进行连接。其连接焊缝以及锥头要与连接钢管实现等强连接。

3、铸钢节点

铸钢节点适用于空间网格结构中的节点。这些节点的杆件汇交较为密集，受力情况复杂，并且对可靠性的要求很高。

用于铸钢节点的材料需满足《焊接结构用碳素钢铸件》的要求；若节点设计需要强度等级更高的铸钢材料，便可参照国际标准或者其他国家的相关标准来执行。

建筑用铸钢件在选择铸钢牌号时，要满足节点力学性能的要求。同时，还应具备良好的焊接性能，并且必须对化学元素硫（S）和磷（P）的含量进行严格控制。

铸钢节点能够设计成实心节点这种形式。铸钢节点也可以设计成半空心节点这种形式。铸钢节点还可以设计成空心节点这种形式。

设计铸钢节点时，要采用有限元法来进行使用条件下的承载力计算。同时，还应进行足尺试验以对其进行验证，并且试验荷载最好不要小于标准荷载的 2 倍。

4、销轴节点

销轴节点的销板和销轴组成（图 8）。这种组成适用于约束线位移。同时，它也适用于放松角位移的转动铰接点。

销轴节点中，销轴与销板之间需采用机械精加工的基孔制公差配合，并且要保证不存在转动约束刚度。在安装时为了方便，各个销板之间适宜预留 1 到 2 毫米的间隙。

销轴节点安装时，首先要把销板与销轴精确地装配在一起，接着把销板与杆件相连接，不适合采用先安装杆件和其他部分，之后再插入销轴的安装方式。

5、组合结构的节点

1）组合结构的上弦节点构造应符合下列要求

（1）必须保证钢筋混凝上带肋板与网架腹杆、下弦杆共同工作；

腹杆的轴线在节点处应与上弦带板有截面的中轴线汇交于一点

（3）支承钢筋混凝土带助板的节点板应能有效传递水平剪力。

2）钢筋混凝土带板与腹杆连接的节点可选用以下节点构造

（1）焊接十字板节点(图9) ,主要用于角钢组合刚架;

螺栓环节点（见图 10），腹杆使用钢管。螺栓环的材料、加工以及连接方式和一般螺栓球节点是一样的。在工厂里，应预先在螺栓环上采用可靠的焊接工艺和检验方法加焊一块 Q235B 圆形板。

注:

钢筋混凝土带肋扳的板助底部埋有钢板，此钢板可与十字节点板盖板（或螺栓环上的形板）焊接，从而能够传递网架内力。在必要情况下，可以在盖板（或圆形钢板）上焊接 U 型短钢筋，待节点浇筑细石混凝土后，这些 U 型短钢筋就会成为水平的抗剪件。

2、后浇灌缝的细石混凝土中宜配置通长钢筋。

当节点处于承受负弯矩的状态时，应当使用上连接板，并且把上连接板与板肋顶部的预埋钢板进行焊接。

当组合网架被用于楼层时，板面最好采用叠浇带配筋的细石混凝土作为面层。

C. 网架工程之支座设计

网格结构支座节点需具备足够强度，在荷载作用时，不能先于杆件和其他节点发生破坏，也不能产生可忽略的变形。支座节点的构造形式要传力可靠且连接简单，同时要符合计算假定。

网格结构支座节点依据结构的形式以及支座节点的主要特点，能够分别选用压力支座节点。网格结构支座节点依据结构的形式以及支座节点的主要特点，能够分别选用拉力支座节点。网格结构支座节点依据结构的形式以及支座节点的主要特点，能够分别选用可滑移、转动的弹性支座节点。网格结构支座节点依据结构的形式以及支座节点的主要特点，能够分别选用兼受轴力、弯矩与剪力的刚性支座节点。

3、常用压力支座节点可按下列构造形式选用：

1）平板压力支座(图1)，适用于较小跨度的网架结构。

单面弧形压力支座节点，它适用于中小跨度网架结构且要求沿单方向转动。当支座反力较大时，可以采用（图 2b）所示的支座。

双面弧形压力支座节点，如（图 3 所示），这种节点适用于温度应力变化较为明显的情况，并且适用于下部支承结构刚度较大的大跨度网格结构。

球铰压力支座节点，如图 4 所示，它适用于存在抗震要求且具有多个支点的大跨度网格结构。

4、常用拉力支座节点可按下列构造形式选用：

1）平板拉力支座(图5}，适用于较小跨度的网架结构。

单面弧形拉力支座节点，其图为 6 。这种节点适用于中小跨度的网格结构，并且要求是沿单方向进行转动。

弹性橡胶板式支座节点（如图 7 所示），它适用于支座反力较大的情况，也适用于有隔震要求的情况，还适用于需要释放温度力以及其他水平位移的情况，同时也适用于有转动要求的大跨度网格结构。橡胶垫板的材料性能、计算方法以及构造要求可以依据规程附录 J 来确定。

刚性支座节点，如（图 8 所示），这种节点适用于同时承受轴力、弯矩以及剪力的网格结构。

7、支座节点竖向支承底板的设计与构造应满足下列要求

支座节点的竖向中心线需与支座竖向反力的作用线保持一致。同时，与支座节点相连接的杆件中心线要交汇于支座节点之中。

支座球节点底部到支座底板之间的距离最好尽量缩小。其构造高度可以依据支座球节点的球径大小来确定，取值范围在 100 到 250 米之间。这样做是为了防止斜杆与支座的边缘相互碰撞（如图 9 所示）。

支座节点竖板的厚度需保证其自由边不会发生侧向屈曲，并且厚度不宜小于 10mm。在拉力支座节点的情况下，支座节点竖板的最小截面积以及相关的连接焊缝必须要满足强度方面的要求。

并且厚度不宜小于 12mm。

支座节点板的孔径比锚栓直径系列大 1 到 2 个级别，这个级别范围是 4 到 6 毫米。同时，要考虑到适应支座节点水平变位的要求。

支座节点锚栓按构造要求设置时，其直径可以是 20mm 到 25mm 之间，数量可以是 2 个到 4 个。对于拉力锚栓，其直径需要通过计算来确定，锚固长度要不小于 35 倍锚栓直径，并且要设置双螺母。

支座节点中，若水平剪力与竖向压力之比小于 0.4 ，那么可以将支座垫板与支座板直接焊接，或者直接把支座底板用锚栓固定在混凝土构件顶面。反之，就应当设置抗键来承受支座的水平剪力（图 10）。

弧形支座板的材料以铸钢为宜，并且厚钢板也可加工成弧形支座板。板式橡胶支座垫板可以是由多层橡胶层与薄板相间粘合而成的橡胶垫板，其材料性能以及计算构造要求能够按照规程来确定。

网架力支座节点能够增设过渡钢板，该过渡钢板与埋头螺栓相连，并且要使过渡钢板与支座底板相连，如图 11 所示。