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1、哈尔滨华德学院毕业设计（论文）第1章 绪论随着经济的快速发展，社会的进步，城市人口密度迅速增加，从而为了满足能源、交通、环保、人们公共活动的需要，大型的土木工程陆续建成。而对网架结构的深入研究，可以更加促进建筑行业的发展，对国家的经济建设具有深远的意义。1.1 网架结构及网架施工研究的意义1.1.1 网架结构网架结构是由很多杆件通过节点，按照一定规律组成的网状空间杆系结构。网架结构根据外形可分为平板网架和曲面网架。通常情况下，平板网架简称为网架；曲面网架简称为网壳。网架结构为一种空间杆系结构，具有三维受力特点，能承受各方向的作用，并且网架结构一般为高次超静定结构，倘若一杆局部失效，仅少一次超静
2、定次数，内力可重新调整，整个结构一般并不失效，具有较高的安全储备。其空中交汇的杆件既为受力杆件，又为支撑杆件，工作时互为支撑，协同工作，因此它的整体性好，稳定性好，空间刚度大，能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载，并具有较好的抗震性能。同时，在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴向的拉力和压力，能充分发挥材料的强度，节省钢材。网架结构组合有规律，大量节点和杆件的形状、尺寸相同，并且杆件和节点规格较少，便于生产，产品质量高，现场拼装容易，可提高施工速度。网架结构不仅实现了利用较小规格的杆件束建造大跨度结构，而且结构占用空间较小，更能有效利用空间。1.1.2 网架结构的研究意义在我国经济快速发展的背
3、景下，建筑行业也出现了跨越式的发展。现如今，大跨结构越来越多，大型的购物广场、飞机机库、体育场馆都是大跨结构的建筑。那么屋盖的自重、刚度及平面形式等问题随之而来，网架结构的出现，解决了以上所提到的问题。网架结构的刚度大，整体性好，抗震能力强。更值得一提的是网架结构的自重轻，适应于各种平面形式的建筑，而且网架结构适宜于工厂化生产，可见网架不但有优越的结构性能，而且有良好的经济性、安全与适用性。但是伴随着我国城市建设的步伐，大跨度、复杂的公共建筑，如大型工业厂房、会议展览中心、航空港候机楼等钢结构工程发展迅速，传统的施工工艺和施工方法已无法满足需求。因此，在不同的工程项目中，如何选择合适该工程的网
4、架施工方法，应当成为目前施工技术研究的一个方向。本文通过对网架施工技术的具体研究深入分析高空滑移法的优缺点，具有重大的实际意义。1.2 国内外网架结构发展现状1.2.1 网架结构在国内的发展现状由于网架结构具有重量轻、刚度大、施工安装简便的特点，被广泛的应用起来。在国内，更是因为国家需要快速发展，具有标准化、工厂化生产特点的网架结构被大量应用。中国近十几年来空间结构的研究与应用得到了更加迅猛的发展，跨度超过100m的建筑也开始大量出现。一些力学性能好，结构造型优美的大跨度网架等结构成为主流，主要应用于体育馆、展览馆、大跨度机场及机库、干煤棚等方面，例如2000年在沈阳建成的沈阳博览中心，跨度达
5、到204米。而2008年北京奥运会的召开，国家游泳中心也应用了网架结构与膜结构想结合的方式，其跨度达到了177米，成为了世界著名的建筑。本文引用的沈阳飞机工业（集团）有限公司802号复合材料制造厂房（以下简称“沈飞802#复材厂房”）总建筑面积为26600平方米，其中主厂房网架工程面积约为16000平方米。虽然我国网架结构的研究与应用发展快速，但与国际先进水平相比仍存在一定差距。1.2.2 网架结构在国外的发展现状在国外,由于欧美等发达国家的钢产量大，所以建筑网架结构建设事业得到蓬勃发展。其结构形式丰富多样，各种新技术、新材料广泛应用，其跨度和规模也越来越大。最早跨度最大的平板网架是60年代美
6、国洛衫矶加里福尼亚大学体育馆91米122米。 最大的双层网壳是70年代也是在美国建造的休斯敦宇宙穹顶(直径196米)及新奥尔良超级穹顶(直径207米)。90年代在日本名古屋又兴建了当今世界上最大跨度的单层网壳，建筑直径229.6米，结构直径187.2米。世界上最大的室内体育馆是美国1996年奥运会的主体育馆亚特兰大体育馆(拟椭圆形平面，186米235米)，采用的是张拉整体体系的屋盖，主要由索、杆、膜组成，是当今最有发展前途的一种新型空间结构。最为典型的例子就是千禧之年世纪之交的千年穹顶，1997年6月开始拟建，仅用一年时间施工，1998年6月举行升顶仪式，该馆位于英国伦敦泰晤士河南岸格林尼治，
7、是当今世界跨度最大的屋盖，穹顶酷像飞碟，直径320米。机场和机库也多采用网架结构。如英国伦敦希思罗机库(一、二期)应是规模比较大的工程。采用三层斜放四角锥网格、焊接球节点平板网架，其跨度规模之大，在国际上是数一数二的，机场的钢结构屋盖由于建筑上的要求比较高，更是绚丽多彩。香港机场、马来西亚机场都采用大面积单体网壳形式。目前，国际上以及我国都在流行一种波浪形曲面，树状支承以及直接交汇的相贯节点的立体桁架体系，看起来雄壮而美观。这些建筑规模宏大，结构先进，充分反映了发达国家的综合国力与先进的建筑技术水平。可以这样说，大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。国际空间结构杂质主编马考夫斯基说：
8、“在60年代空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构，然而今天已被全世界广泛接受。”从今天来看，大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费，这些研究工作作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。1.3 研究内容和方法1.3.1 研究内容沈飞802#厂房屋面结构为大跨度网架结构，根据设计需要和施工要求需对网架结构的形式及选型 、设计计算及设计要点 、制作及施工等多方面进行全面分析和深入探讨，确保工程的安全、质量和进度。（1）脚手架操作平台的搭设及牵引技术。高空
9、滑移法的最基础技术便是搭设脚手架操作平台。脚手架操作平台的水平与否，平台轨道的铺设是否符合要求，平台的搭设质量是否合格都将成为工程的质量、成本以及进度的影响因素，本文将针对脚手架操作平台的搭设过程加以分析，消除上述问题对工程的影响。(2) 网架弦杆、螺栓球以及焊接球拼装技术。网架的弦杆拼装是在高空中作业，那么怎样将杆件从地面高效地、方便地运至操作平台上，网架吊装设备能否按时到位，吊装设备是否适合工程情况将直接影响工程进度，故网架弦杆的吊装也为本文的重点研究内容。网架的弦杆及螺栓球和焊接球的连接是本文研究的重中之重，网架弦杆与螺栓球、焊接球的拼接角度与杆件焊接质量决定着整个网架的平面尺寸和工程的
10、质量，也决定着该工程的使用安全与寿命。本文将焊接技术作为重点研究对象，对此问题加以研究并做出解决方案，保证工程质量。高空拼装过程中，由于在屋面拉杆未安装前各构件的受力状况与设计受力状况是不同的，工程跨度大、重量大、构件尺寸大，所以施工过程中的计算核定问题以及在组装和拼装过程中的刚度、稳定性、挠度、杆件内力施工前的验算、加固措施等问题也是本文的难点。1.3.2 研究方法本文结合沈飞802号复材厂房项目实际工程与理论相结合的方法，基于上述的认识，本文简要地介绍了钢网架施工中存在的问题，概要论述了网架结构的基本构造和力学性能，继而依照实际施工流程详细分析了网架施工方案的确定、施工的关键技术问题。同时
11、，在充分利用前人的研究成果和大量的国内外实践的基础上，本文还以沈飞802#复合材料厂房屋面网架工程为实例，详细对屋面网架节点构造、施工技术展开实际应用研究，从而揭示、验证网架施工技术的合理性和经济性。第2章 网架结构2.1 网架结构的组成本工程本着受力合理、传力明确、便于安装和节省钢材的原则，网架结构节点选为焊接和高强度螺栓混合连接节点。在部分中间节点选用高强度螺栓节点，在屋脊和支座处选用焊接节点。2.1.1 螺栓球节点的组成和受力特点螺栓球一般由钢球、高强度螺栓、紧固螺钉、套筒和锥头或封板等零件组成，适合与连接圆钢管杆件。螺栓球节点的套筒、锥头和封板采用Q235系列、Q345系列钢材；钢球采
12、用45号钢；螺栓、销子或紧固螺钉采用高强度钢材45号钢。拧紧螺栓的过程，相当于对节点施加预应力的过程。预应力的大小与拧紧程度成正比。此时螺栓受预拉力，套筒受预压力；在节点上形成自相平衡的内力，而杆件不受力。当网架承受荷载后，拉杆内力通过螺栓受拉传递，随着荷载的增加，套筒预压力逐渐减小；到破坏时，杆件压力全由套筒承受。2.1.2 螺栓球的节点设计2.1.2.1 螺栓钢球体的设计螺栓钢球体直径的大小主要取决于高强度螺栓的直径，高强度螺栓拧入球体的长度及相邻两杆件轴线之间的夹角。当网架中各杆件所需高强度螺栓直径确定以后，螺栓钢球直径的大小应同时满足两个条件：1、保证相邻两螺栓在球体内不相碰；2、保证
13、套筒与钢球之间有足够的接触面。 2.1.2.2 高强螺栓的设计一般情况下，根据网架中最大受拉弦杆内力和最大受拉腹杆内力各选定一个螺栓直径，若这两个螺栓直径相差太大，可以在这两者之间再选一种螺栓直径；即使网架跨度、荷载较大时，选用高强度螺栓直径不宜过多，以免造成设计、制造、安装过于麻烦。2.1.2.3 套筒的设计套筒的作用是拧紧高强度螺栓，承受圆钢管杆件传来的压力。套筒的外形尺寸应符合扳手开口尺寸系列，端部保持平整，内孔径可比高强度螺栓直径大1mm。2.1.2.4 紧固螺钉的设计紧固螺钉的作用是扳手拧转套度螺栓时，紧固螺钉承受剪力。当高强度螺栓拧至设计所要求深度时，紧固螺钉到达螺栓的滑槽端部的深
14、槽，将紧固螺钉旋入深槽，加以固定，防止套筒松动。2.1.2.5 锥头的设计当圆钢管杆件直径76mm时，宜采用锥头。锥头的任何截面均应与杆件截面等强度，锥头底板的厚度不宜小于被连接杆件外径的1/6。锥头底板外侧平直部分的外接圆直径一般取高强度螺栓直径的1.8倍加35mm；锥头斜向筒壁的坡度应1/4。 2.1.3 焊接空心球节点当网架杆件内力很大（一般750kN）时，若仍采用螺栓球节点，会造成钢球过大而使用钢量增多。此时应考虑采用焊接空心球节点。2.1.3.1 焊接空心球节点的材料、特点焊接空心球节点是用两块圆钢板经热压或冷压成两个半球后对焊而成的。焊接空心球节点的优点是传力明确，构造简单，造型美
15、观，连接方便，适应性强。这种球节点适用于连接圆钢管， 由于球体没有方向性，可与任意方向的杆件相连；因此，它的适应性强，可用于各种形式的网架结构。 但是焊接空心球用钢量较大，冲压焊接费工，焊接质量要求高，现场仰焊、立焊占很大比重；杆件下料要求准确；当焊接工艺不当造成焊接变形过大后难于处理。2.1.3.2 焊接空心球与杆件的连接圆钢管杆件与空心球的焊接连接，一般均应满足与被连接的圆钢管杆件截面等强。 对于小跨度的轻型网架，当管壁厚度t6mm时，圆钢管杆件与空心球之间可采用角焊缝连接，圆钢管内可不加设短衬管。2.1.4 网架结构的支座节点空间网架的支座一般都采用铰支座，支承在柱、圈梁或砖墙上。设计空间网架的支座节点时，应根据网架的类型、跨度的大小、作用荷载情况，网架杆件截面形状以及加工制造方法和施工安装方法等，选用适当型式的支座。根据受力状态，网架的支座节点一般分为压力支座节点和拉力支座节点两大类。本工程采用的是单面弧形压力支座节点。2.1.4.1 平面压力支座节点这种节点由十字型节点板和一块底板组成，构造简单、加工方便、用钢量省。但其支承板下的摩擦力较大，支座不能转动或移动，支承板下的应力分布也不均匀，和计算假定相差较大，一般只适用于较小跨度（40m）的网架。2.1.4.2 单面弧形压力支座节点它在支座板与支承板之间加一弧形支座垫
