钢网架结构设计方法及其优化措施

钢网架结构设计方法及其优化措施

赵贺 方芊芊 巫业双

中机国际工程设计研究院有限责任公司 华东区域中心 江苏南京 210023

摘  要：本文深入探讨了钢网架结构设计的关键要点，涵盖了结构节点设计、杆件设计、屋面排水设计以及钢网架结构的耐久性设计对策等多个方面。文章详细讲解了这些方面的设计原则和实施方法，以及优化设计的重要性和方法。我们了解到，良好的钢网架结构设计需要基于深入的理论学习，实际经验的积累，以及持续的优化过程，以实现其在实际工程中的最佳表现。

关键词：钢网架结构；设计方法；优化措施

1 选择钢网架结构类型的考量

在选择钢网架结构的类型时，考虑因素众多。主要的依据涵盖了结构的几何可变性、特定的载荷需求，以及实际的建设尺寸、形状和支持方式。此外，制作安装的便捷性和项目的整体经济性也是决策过程中无法忽视的要素。

首先，我们注意到几何可变性对于选择网架结构类型的重要性。常用的三角锥和四角锥，凭借其几何稳定性，在设计中常成为首选。这两种单元形式构建的网架体系，在面对任何外力影响下，仍能保持其结构稳定，避免发生变形。这为工程的安全性和稳定性提供了有力保障。

其次，建筑的实际载荷需求，必须作为决定钢网架类型的重要因素。根据工程建设的具体需求，以及钢网架结构在受到不同外力时的形状变化性，我们需要选择最合适、最能发挥效能的结构类型。钢网架的稳定性能始终是设计的首要关注点。

同时，我们需要从全局角度出发，考虑建筑的整体规模、形状、受力状况等因素。这要求我们不仅要关注工程建设的技术可行性，更要关注经济性。我们需要制定多套备选方案，从中择优选择，确保既能满足工程技术需求，又能控制好工程的投资成本。

对于平面形状接近正方形的建筑，斜放四角锥网架结构因其材料使用量少，经济性出众，而被广泛采用。而正放四角锥结构虽然材料使用量较多，但其杆件标准，节点统一度高，非常适合工厂批量生产，因此在实际应用中也十分广泛。如果平面为矩形，那么斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架和正放抽空四角锥网架则是理想的选择。至于圆形、多边形等特殊形状的平面，一般倾向于选择三向网架、三角锥网架和抽空三角锥网架。

总的来说，选择钢网架结构类型的过程是复杂而精细的，需要兼顾结构的稳定性、载荷需求、建设实际以及经济性等多方面因素，以期达到最佳的设计和应用效果。

2 钢网架结构设计材料及关键点

2.1 结构节点设计的主要原则

在钢网架结构的设计环节，节点设计无疑扮演着至关重要的角色，需遵循一些核心原则。首要的原则即是保证节点的强度以及刚度，因为这两点直接影响到整个网架结构的稳定与安全性。同时，节点设计中工艺性和经济性的融合也十分重要。如同我们所知，复杂的焊接作业或者大量的紧固件使用都会导致生产和安装成本的增加，因此节点设计应尽可能避免这些情况，倾向于选择简化和经济的方式。另一方面，节点设计的简易化也是十分重要的，可以有效地方便工厂进行批量生产，同时简化现场安装过程，降低工作难度。

2.2 钢网架结构设计中的关键考量点

当涉及钢网架结构设计时，我们需要对一些核心要点给予高度关注。首先就是材料的选择问题，选用的材料应能够既保证结构的稳定性和安全性，同时也能在尽可能的范围内节省成本。其次，结构的几何形状设计也是一个需要细心研究的环节，其涉及建筑的平面形状、尺寸、荷载大小等因素，我们需要进行精准的优化，以保证整个结构的均衡和稳定。最后，施工工艺也是一个不能忽视的关键点，包括结构的制作、运输和安装等环节，这将直接影响到工程的完成时间以及工程质量。

2.3 钢网架杆件的设计原则

杆件设计在钢网架构造中占据了显著的地位，因为这些元素的选材、形状和连接方式直接决定了整体结构的强度、刚度和稳定性。在选择杆件材料时，应首选能够满足安全和稳定需求的材料，且应当兼顾到工艺性和经济性。例如，我们需要寻找那些易于加工、形状简单、成本效益高的材料。此外，为了尽可能地降低浪费，我们也需要在设计和施工阶段采取一定的策略。

对于常用的Q235和Q345钢材，它们因其优越的稳定性特点和易于焊接、拼接等特性，成为钢网架中主要的材料选择。然而，除了材料选择外，我们还需要注意杆件的形状和截面性能。空心的圆形或方形管材是优秀的选择，因为它们对外力有很好的适应性，并且在连接后，管内形成真空状态，可以有效防止锈蚀。此外，这种材料还可以防止积水和灰尘的侵蚀，从而进一步保障了其耐久性。

最后，杆件和节点的连接也是一项重要的考虑因素。一个好的设计应该确保杆件和节点之间的协调性，使整个结构能够均匀承受力，保持稳定性。这将为工程师在处理不同建筑结构挑战时提供了一种强大而灵活的工具。

3 钢网架结构屋面排水的设计

3.1 调整主跨高度

在钢网架结构的屋面设计中，提高主跨的中间高度是一种常见的排水设计策略。通过增加主跨中间的高度，可以有效地引导雨水流向屋面两侧的排水系统。这种设计不仅能够有效地避免积水和泄漏，同时也能降低屋面材料受损的风险。然而，这种设计需要在维持建筑美观和结构稳定性的前提下进行。因此，在确定主跨中间高度的过程中，需要充分考虑屋面的形状、大小和结构要求，以确保排水效果和建筑整体效果的均衡。

图1 上、下弦杆之间排水的角度

3.2 提升上弦高度

另一个有效的屋面排水设计方法是增加上弦高度。上弦是钢网架的顶部部分，高度的提升可以促进雨水从屋面的中央部分流向边缘，从而实现有效排水。此外，上弦高度的增加还可以提高屋面的倾斜角度，进一步增强排水效果。然而，此举同样需要平衡结构安全和视觉效果。为此，设计者必须在提高上弦高度的同时，保证钢网架结构的稳定性和力学性能。

3.3 采用中间网架起拱形式

最后，中间网架起拱的形式也是一种有效的排水设计策略。通过在中间设置起拱，屋面的排水路径就变得非常明显，雨水自然地从高处流向低处，然后流入排水系统。这种设计既能保证屋面排水的顺畅，也能够实现对屋面荷载的合理分配。此外，起拱形式的采用还可以增加建筑的视觉效果，使其在实用性和美观性之间取得良好的平衡。然而，应注意的是，该设计需要考虑各种因素，如网架的弧度、屋面的坡度、排水系统的设计等，以确保排水效果的优化。

4 网架结构的耐久性及设计对策

4.1 耐久性的重要性和挑战

网架结构的耐久性是衡量其性能和价值的重要标准，它关乎建筑的使用寿命、安全性和维护成本。然而，环境因素、荷载变化、材料老化等问题会对网架结构的耐久性造成威胁。例如，温度变化可能导致材料膨胀或收缩，从而影响结构的稳定性和安全性；湿度变化可能加速材料的腐蚀，缩短其使用寿命。因此，对耐久性的深入理解和准确评估对于提高网架结构的性能和寿命至关重要。

4.2 高质量材料和精细工艺的应用

为提高网架结构的耐久性，应优先选用高质量的材料并采用精细的工艺。高质量的材料可以承受更大的环境和荷载变化，具有较高的抗腐蚀和抗老化性能，从而提高网架结构的使用寿命。精细的工艺则能保证结构的质量和安全性，例如，准确的尺寸控制和严格的焊接质量控制可以减少结构缺陷，提高结构的稳定性和安全性。

4.3 优化设计和合理维护的重要性

除了选用高质量的材料和精细的工艺，优化设计和合理维护也是提高网架结构耐久性的关键。优化设计包括对结构形式、连接方式、受力分布等因素的合理选择和优化配置，例如，合理的受力分布可以减少材料的过度应力，延长其使用寿命；合理的连接方式可以减少连接部位的应力集中，提高结构的稳定性。合理的维护包括定期的检查、维修和保养，例如，定期的结构检查可以发现并及时处理潜在的安全隐患；定期的清洁和涂装可以延缓材料的老化和腐蚀，延长结构的使用寿命。

5 钢网架结构的优化措施

5.1 钢网架结构类型的优化与选择

在钢网架结构设计的过程中，要综合考虑各种因素，包括工程的实际需求、钢材的使用量、工程的经济性等，从而选择最适合的网架类型。例如，四角锥网架和抽空网架在节约钢材的同时，也能满足工程的基本需求。同时，随着社会建设的进步，我们不仅要关注网架的类型，还要对网架的跨度和高度进行优化，以适应更多的应用场景。

5.2 钢网架结构的优化设计方法

在优化设计过程中，我们要结合现代科学技术，利用软件进行精确的计算和迭代设计。这样不仅可以保证设计的精度，还可以大大提高设计的效率。具体的优化设计方法包括但不限于准则方法、数学规划法和系统迭代优化设计法。这些方法能够整合建筑的受力特性和钢材需求，对关键参数进行迭代运算，最终选出最优的设计方案。

5.3 钢网架结构的实际考量与调整

虽然优化设计的过程可以产生理论上的最优解，但在实际应用中，我们还需要结合经验对设计结果进行调整。因为优化设计的过程受到诸多因素的制约，包括优化参数、目标函数以及计算程序的能力等，所以设计结果不可能完美无瑕。我们需要将设计结果与实际需求相结合，根据经验对其进行调整，以达到最理想的使用效果。

6 结语

通过本次深入的探讨和分析，我们对钢网架结构设计的多个方面有了更全面的理解。从结构节点的设计原则，到杆件的考量，再到屋面排水的设计，以及钢网架结构的耐久性设计对策，每一个环节都是为了保证钢网架结构的安全、可靠与经济性。针对各种实际情况和需求，我们需要对设计方案进行灵活优化，运用先进的设计方法，同时结合实际经验和需求进行调整。这样的过程虽然复杂，但是为了建设更优质、更持久、更安全的钢网架结构，这是必不可少的。

参考文献

[1]曲萍.钢网架结构设计方法及其优化措施[J].住宅与房地产,2020,No.565(06):92-93.

[2]侯严利.钢网架结构设计方法及其优化措施探讨[J].黑龙江科技信息,2016(20):241-242.