【钢结构·技术】网架结构重中之重——支座设计

  网架( 网 壳)结构作为一种高次超静定空间杆系结构，由于其受力性能好(理论上杆件只受轴力作用)、刚度大、整体性及抗震能力好、承载能力强、受支座不均匀沉降影响小、适应能力强，而计算理论的日益完善以及计算机技术快速的提升，使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能，因此网架结构被大范围的应用于工业与民用建筑领域中。但网架结构如果其支承结构、支座型式及边界条件设计不合理会对网架结构的安全性和经济性造成重要影响。

  目前在很多工程中，网架（网壳）一般由专业的钢构公司依据事先假定的边界约束条件进行设计，再将他们算出来的支座反力作为外加荷载作用到下部支承结构中。把网架（网壳）和下部支承结构分开计算，网架支座相对于下部结构的位移虽能通过弹性约束方法模拟，但是由下部支承结构变形带来的支座沉陷等支座本身的变位很难估算准确，算出来的结构内力在某些情况下会与真实的情况差别较大，可能会给工程留下安全风险隐患。下部结构可能是柱，也可能是梁，也可能是其他结构及形式，不仅刚度是有限的，而且具体工程刚度差异可能很大，在这种假定条件下，算出来的杆件内力、支座反力及下部结构内力与采用网架支座刚度为实际刚度且上、下部结构共同工作的力学模型所计算出来的结果肯定是不相同的。另外，分开计算还割裂了上下部结构的协同工作，使得上、下部结构的周期和位移计算均不准确。

  通常网架的支承可大致分为：周边支承、点支承以及点支承与周边支承混合使用三种方式，周边支承是将网架周边节点搁置在梁或柱上，点支承则是将网架支座以较大的间距搁置于独立梁或柱上，柱子与其他结构无联系。网架（网壳）搁置在梁或柱上时，可以认为梁和柱的竖向刚度很大，忽略梁的竖向变形和柱子轴向变形，因此网架（网壳）支座竖向位移为零，网架（网壳）支座水平变形应考虑下部结构共同工作。在周边支承网架（网壳）支座的径向应将下部支承结构作为网架（网壳）结构的弹性约束，而点支承网架（网壳）支座的边界条件应考虑水平X和Y两个方向的弹性约束。支承结构的等效弹簧刚度计算有如下几种：

  由长度为L，网架支座位于距梁端为a的简支梁的等效弹簧刚度为：Kb=3EbIbL/a2（L-a）2

  在实际工程中往往是在梁顶或柱顶增加橡胶垫弹性支座，特别是在大跨度网架中，通过橡胶垫支座以满足温度应力的变形要求，这就要求考虑梁或柱弹性刚度与橡胶垫弹性刚度的叠加，当K1与K2叠加时，由位移叠加得其叠加刚度K为:1/K=1/K1+1/K2；有K=1/（1/K1+1/K2）。

  结构与基础的连接区简化为支座，按其受力特征分为五种：活动铰支座（滚轴支座），固定铰支座，定向支座（滑动支座），固定（端）支座和弹性（弹簧）支座。

  弹性支座在提供反力的同时产生相应的位移，反力与位移的比值保持不变，称为弹性支座的刚度系数。弹性支座既可提供移动约束，也可提供转动约束。当支座刚度与结构刚度相近时，宜简化为弹性支座。当结构某一部分承受荷载时（如研究结构稳定问题），其相邻部分可看作是该部分的弹性支承，支座的刚度取决于相邻部分的刚度（如将斜拉桥的斜拉索简化为弹簧支座）。当支座刚度远大于或远小于该部分的刚度时，弹性支座则向前四种理想支座转化。

  网架结构一般都支承在柱顶或圈梁等下部支承结构上，支座节点即指位于支承结构上的网架节点。它既要连接在网架支承处汇交的杆件，又要支承整个网架，并将作用在网架上的荷载传递到下部支承结构。因此，支座节点是网架结构与下部支承结构联系的纽带，也是整个结构中的一个重要部位。一个合理的支座节点必须是受力明确、传力简捷、安全可靠，同时还应做到构造简单合理，制作简单方便，具备比较好的经济性。

  网架结构的支座节点应能保证安全可靠地传递支承反力，因此一定要有足够的强度和刚度。在竖向荷载作用下，支承节点一般均为受压，但在一些斜放类的网架中，局部支座节点可能承受拉力作用，有时还可能要承受水平力的作用，设计时应使支座节点的构造适应它们的受力特点。同时支座节点的构造还应尽量符合计算假定，充分反映设计意图。由于网架结构是高次超静定的杆件体系，支座节点的约束条件对网架的节点位移和杆件内力影响较大；约束条件在构造和设计间的差异将直接引发杆件内力和支座反力的改变，有时还会造成杆件内力变号。因此对网架结构支座节点的设计应给予足够的重视。

  网架结构设计是否安全、经济，最重要的条件首先在于所选的支承结构、支座型式及边界条件是不是合理，为此在具体设计中我们尽可能避免将上部网架结构与下部支承系统单独分析、设计，尤其当网架支座相对于下部结构的位移很难通过弹性约束方法模拟时，更应当将支承结构与上部网架一起进行整体建模、计算分析，以使所计算出来的结果更符合实际。