网架设计中常见技术问题的探讨

发布于：2023-03-24 09:44:24 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

一、网架的安全性

1、网架安全的重要性

a、网架一般跨度较大，而且多为公用建筑，重要建筑，下面人员众多、设备贵重，网架挂在头顶上，人命关天，不像机械设备坏了不危及人命。

b、网架建在高空，出了问题极难加固，不像机械设备可以修理。

c、由于网架安全的重要性，因此业主非常重视，网架厂如何保证质量安全，涉及厂的根本信誉，是厂的生命线，如果一旦出事，信誉全失，摔了跤就爬不起。

2、如何评价网架的安全性

过去认为网架是高次超静定结构，局部杆虽破坏，由于塑性内力重分布，不会倒塌，有很大的安全储备。二次大战中有的网架炸了一个洞仍安然无恙。因此认为网架不会破坏。而美国哈特福德(Hartford)体育中心109.7m×91.4m矩形网架的倒塌，使人们提出了网架会不会“渐近破坏”的问题。从国外研究看，认为网架危险的杆件是压杆，压杆失稳会引起连锁反应，但对于螺栓球节点最担心的还是一个螺栓断了会引起什么后果？现根据国内外资料作一些分析。

根据E.A.Smith的报告，肯定了哈特福德体育中心倒塌事故的原因，是由于设计错误以及支撑连接和承包者修改不当而引起的。这些错误使再生支撑杆在网架边缘处起不到支撑作用，加之上弦的支撑处节点又产生了较大偏心，从而导致倒塌。诚然，哈特福德体育中心的倒塌主要是由于设计错误。

但由此对弹性分析作为设计计算方法有了争议。哈特福德网架“渐近倒塌”的实例加之10年来计算机技术飞快发展，因而发展了可用于双层网架非线性分析的技术。一些研究，如Mei-boarne大学发表的一些重要的五种双层网架不稳定性研究，集中探讨了脆性杆件的非弹性反应。研究表明，原来认为网架的钢材是延性材料，会具有超过弹性极限负荷的承载能力。因此，弹性分析会提供保守的设计。然而事实上却不是这样。关键是构件能否维持愈来愈大的变形下的荷载。假如一个结构的弹性负荷是作为轴向力传递的构件不是很粗，又不是很细长，由于塑性弯曲产生的构件不稳定性引起构件承载力突然损失，形成内力重分布。假如其他构件能随此重新分布，就能支撑增大了的外荷载；假如重分布引起其他构件破坏，则会“渐近破坏”形成“多米诺效应”，不具有超过其“弹性极限荷载”的保留强度。

分析重分布的一种技术叫“追踪分析法” 。

δ1及δ2是由杆件后期压弯效应求得，属于几何非线性，将此效应偏入一种增量，包括挠曲为l/1000。这个方法在国内也进行了研究，即将发生受拉屈服或受压失稳的杆件退出工作。在其两端节点处施加该杆件的反向残余力(拉杆的残余力就是它的屈服力。压杆则是杆件失稳后的残余力)，即不考虑这些杆件刚度矩阵后，寻找新的屈服或失稳杆件，反复进行直到形成局部机动体系。由于杆件力学模型建立趋于成熟，其他荷载增量等数值分析方法使网架非线性极限承载力的分析日益成熟。但关于非线性破坏性能的试验研究尚比较少，而利用一般模型结构试验分析，由于误差配合不好、节点偏心、接头滑动等因素，作为非线性分析其有效性值得怀疑。因此非线性的试验要非常小心，消除接头偏心及残余应力。专门的焊接系统才能进行非线性分析研究。国外从这些试验中，甚至发现对称的结构其弹性性能却呈非对称性。这是因为结构本身总是有缺陷，缺陷就形成非对称的承载力。同时也发现有的整个结构破坏较突然，持续不到30秒。因此说明，在某些情况下，弹性计算的脆性杆件不能过份自信一定不会出现“多米诺”效应。最近两年，Smith根据他的分析，满应力的双层网架的脆性杆件很容易受到渐近破坏。不能对多层空间网架过份自信防止“渐近破坏”的办法，一个是改进空间结构杆件的延性，如利用偏心受荷的压杆，或使用安全度加大的压杆是能足够抵抗渐近破坏的。因此我国的“满应力”设计网架的办法要给予应有的注意。 “优化满应力”是纯理论的数学计算。数学计算并不是我们的目的，仅是工具。数学模型不可能完全反映现实。尤其不能代替工程师的判断，工程师的判断是模糊思维，是几千年形成的，是计算机代替不了的。判断能力是很复杂的，因此要人机结合才能发挥更完善的作用。

因此，用“优化”、“满应力”设计的网架，应从构造上及内力重分布上适当调整。而一些跨度很大的网架，宜考虑验算一根杆件断裂后内力重分布的计算。

非线性分析可以发现真正的极限承载力，当然应考虑到杆件初始挠曲，节点偏心，节点滑动，横截面面积变化，配合不好，支承的屈曲等等，所有这些因素都影响应力分布。因此目前通过非线性分析要精确地预测承载力也很困难，但可以期待，由于对非线性结构特性研究的兴趣不断增加，一定会解决单个杆件破坏对承载能力的影响。

根据以上分析验算，断一根杆件是一种检验网架整体安全的办法之一，但仅在一些特别重要结构才有必要。而目前关于网架极限承载能力的试验，国内外兴趣也比较大，国外也做过一些足尺试验，如英国的国家塔试验站，做了严格控制的足尺试验，尺寸20.4m×18m试验证明，试压到122.5%才开始屈服，最大荷载压到206%，试件没有倒塌，只是有些杆件坏了。

在波兰华沙，用于工业建筑的Mostosostal体系双层网架也在1975～1977年做了试验，尺寸是12m×18m、24m×29m和30m×30m，试验测定挠度接近于弹性线性分析结果。虽然试验变形较高于理论值，但在许多杆件中试验的应力还是符合理论计算的，只是在上下层连接的斜杆件有些不够满意。而18m×18m网架由于配错了材料，超载下(即计算荷载下)即达流限，12m×18m网架大部分受力杆件达屈服，但仍未破坏，只有杆件屈服到使体系转为机动不稳定时才丧失承载力。试验还表明屋面波形板使结构稳定性增加，由于屋面波形板的加强可提高上弦承载力10%，下弦及腹杆6% 。分析计算是按极限状态并考虑了弹塑性，特别考虑了滞后压屈和断面一侧塑性、两侧塑性的情况。试验发现永久变位达最大变位的30～50%。

另外，英国希思罗机库也做了网架足尺的现场试验。加荷到110%。试验曾准备用水加荷，但用水加载会使水集中于挠度较大的跨中，不符实际情况，并造成恶性循环，使网架提早破坏，所以试验用了垃圾箱加载。试验结果也说明网架按弹性分析计算是安全的。

如何来评价网架整体安全问题，目前大家都比较感兴趣。从过去芜湖空军36厂网架断一根杆的验算及安庆石化公司网架断一根杆的验算结果看，按Mero的要求，基本上都能满足，不会引起整体倒塌。按Mero要求所作的验算是偏于安全的。因为Mero规定，螺栓K>2.5即不需要进行这样的验算，而进行的验算表明，结果也是不会整体破坏，说明网架重分布是有效的。

从目前试验来分析，国内有的试验反映一根杆坏了，其他杆会连续坏，但这些试验受条件限制，仅能把安全度均用加大荷载来表达，而实际上安全度将包括材料的匀质，计算的准确程度及其他因素。从失效概率来分析，断一根杆后，安全度可以降低，也就是试验时应该断一根杆后，试验荷载马上要减少1.5～1.8倍来看第二根杆是否会接着坏，但这点在实际试验中做不到。结果在试验荷载不减少情况下，当然第二根就接着坏了，产生了连锁破坏，但这是不符合结构真实情况的。因此，可以认为目前国内外的研究和试验，在一定的条件下，网架结构的可靠性仍然比平面结构要强。一般说来，网架结构仍然存在超静定结构一根杆破坏不会引起整体倒塌的优点。因此不能得出结论:网架主要压杆失稳破坏后，一定会连续失稳而倒塌，因为说明这种现象的试验的方法不符合工程实际情况。陕西省体育馆网架局部火烧到700℃，局部杆件退出工作，仍未倒塌。但也不能认为网架反正是高次超静定，即使杆件坏了，也不会倒塌。从天津地毯仓库48m×72m网架及内蒙玻化车间20m×36m柱网网架倒塌说明，设计错了，施工质量太差，仍然会倒塌。所以，对网架安全问题，大跨结构要慎重对待，相邻杆件相差太悬殊的，应用人工加以调整，以利内力重分布。受压杆件设计不能扣，细长比要有富裕，现行的弹性计算方法还是可行的。

3、如何评价网架的模型试验

目前一些网架出了问题，有的就习惯于按钢筋混凝土结构做模型试验，笔者认为网架与钢筋混凝土结构不同，钢筋混凝土有许多理论上说不清的问题只有通过模型试验弄清问题，而网架的有限元计算，是非常精确的理论，完全符合结构实际受力，相反由于模型试验的模拟不正确、制作偏差、节点偏心、荷载不准，测试技术的误差等等，不准确的试验结构反而引起对准确计算结果怀疑。因此不赞成网架有了问题去做模型试验，而应该进行有限元分析去找问题。网架的足尺试验是可取的，可以反映节点及施工中实际情况，但由于网架规模比较大，足尺破坏试验太昂贵。因此目前多为按加荷到1.2倍标准静载及1.4倍标准活载进行现场实地试验，然后测其各级加荷挠度是否符合弹性，挠度是否符合设计要求，最后测残余挠度不超过20%来判断网架是否正常，笔者在约旦哈桑体育城体育馆即做了足尺现场试验来验证网架的承载力。

4、变形与安全的关系

机械上变形与内力很少有协调关系，超静定结构却存在着密切的变形与内力的协调关系，网架计算中有限元是按杆件所产生的弹性变形忽略节点变形来求内力的，如果杆件产生了塑性变形，或者节点产生了不能忽略的塑性变形都会引起内力的变化。如在封板试验时，仅以拉断的极限承载力作为安全的判断不完全正确，有的封板试验极限承载力很高，但却在设计荷载下已产生非常大的塑性变形，因此在判定封板承载力时一定要测定设计荷载下只有弹性变形，才符合计算假定。在杆件代用中，有的认为以大代小就不会有问题，其实在网架设计中，以大代小，断面加大引起杆件变形减少也造成内力变化，导致有些杆不安全，所以材料以大代小也要设计认可。

知识点：网架设计中常见技术问题的探讨