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【摘 要】 随着我国新型城镇化进程的加快，提供了新的发展机遇给空间钢结构和大跨度，在大跨度的结构中网架结构得到了广泛应用。而施工技术在钢结构屋盖网架施工中有重要地位且必然存在着一定的问题需要处理。本文就网架钢结构屋面施工中存在的缺陷进行分析，并提出一定的处理措施，以供参考。
【关键词】 网架钢结构；施工缺陷；安装误差；初始弯曲
一、网架结构的特点
体现在大中跨度的屋盖结构的网架结构最大优势，是采用网架结构比采用钢屋架及门式刚架更经济合理。由于杆件之间互相支撑作用，整体性好，刚度大，抗震能力强是网架结构最大的特点，而且能够承受由于地基不均匀沉降所带来的不利影响；即使在受到损伤个别杆件的情况下，为了保持结构的安全，也能自动调节杆件内力。网架结构取材方便，一般多采用Q235钢或16Mn钢，杆件截面形式多采用钢管或型钢（型钢以角钢为主），并且可以用小规格的杆件截面建造大跨度的建筑。
二、网架钢结构常见施工缺陷
网架钢结构一般由网架杆件、杆件节点、支座以及下部（支承）结构组成。由于制作、运输、焊接、安装过程中不确定因素的影响，网架钢结构在施工过程中通常会产生以下几方面的施工缺陷。
（一）杆件初始弯曲
杆件初始弯曲是指初始弯曲单根杆件，通常由运输碰撞、制作安装精度等原因造成，而特别是压杆的稳定承载力，初始弯曲对杆件的承载能力具有显著的影响。
（二）安装误差
安装误差是指理想设计状态与结构安装完成后的位形之间的差别，由于理想状态的结构位形是结构设计的对象，由于结构的自重、施工精度以及作用荷載在实际施工过程中的影响，理想设计状态与安装完成后的结构位形会存在必然的差别。对这种允许误差在相应的规范规程中，有明确的规定。
（三）节点缺陷
包括焊接节点和螺栓球节点的常见节点形式，对于螺栓球节点可能存在缺失紧固螺钉、未封闭多余球孔、杆件套筒松动等施工缺陷；焊接节点上有一定的几率会出现不同形式的焊接问题。
（四）支座缺陷
支座是网架结构的重要组成部分，对于支座功能比较特殊的，必须要根据相应的要求进行施工缺陷检查；对于普通固定铰支座需要排查支座处的焊缝质量、螺母紧固情况等。
三、工程概述
在某体育场馆建设过程中，屋面采用的便是大跨度的钢网架结构。游泳馆宽度有50m，而南北方向的最大跨度也达到了82m，最大的自由度约为21m。因此，在网结构的螺栓球节点上适宜采用拱形设计，在施工中就能够保证网结构得到合理的运用。在网架结构安装完毕之后，需要将超薄的钢结构防火涂料在其表面上涂抹，从而使得钢结构屋盖具有一定的防火能力。结构示意图如下图1所示。
图1 屋面网架钢结构示意
在安装完成屋面网架钢结构之后对其进行了位形测量和检测，该结构根据检测测量结果发现主要存在以下施工缺陷：1）少数杆件存在明显的初始弯曲；2）局部安装误差较大。根据对球节点的空间坐标测量，理论坐标与部分节点相差较大，其中竖向坐标相差超过40mm的节点达到26个；3）节点缺陷。该结构采用的是螺栓球节点，主要缺陷包括紧固螺钉缺失、杆件套筒松动、多余球孔未封闭等。
四、网架结构分析
（一）计算模型
为了分析网架厚度、底部支承结构、网架宽度、弦杆尺寸对应力的影响，用SAP2000软件建立网架模型如图2。钢材强度等级为Q345，在弹性状态下进行分析。网格尺寸为4.5m×4.5m，柱高18m。模型中坐标原点为网架的中心，横坐标为x轴，纵坐标为y轴。模型采用正放四角锥网架，模型相关参数见表1所示。
表1 网架模型参数表
（二）计算结果及分析
1、标准模型计算结果
模型M-3的弦杆在温度荷载+30℃作用下，离网架中线不同距离弦杆的最大温度压应力如图3所示。网架最大温度应力对称出现于网架的4个角部附近的下弦杆处。从图3可以看到，与边柱相连弦杆的最大温度应力沿y方向逐渐增大，沿y轴最大温度应力的波动现象越来越明显，与边柱不相连弦杆类似。对比与边柱相连和与边柱不相连的情况可知，与边柱相连比不与边柱相连的弦杆的最大温度应力大得多，且越靠近网架的外侧差距越明显。与边柱相连的弦杆越靠近外侧最大温度应力越大，不与边柱相连的弦杆越靠近外侧最大温度应力越小。
图3 弦杆的最大温度压应力
2、计算结果对比
表2列出了在不同工况组合下的构件施加几何初始缺陷有限元模型和完善有限元模型应力情况。
表2 不同模型有限元计算结果对比
根据表2，考虑安装误差之后在不同工况下的有限元模型增加超限杆件的数量，提高了最大设计应力平均值。对于网架钢结构，结构的不安全因素安装误差可能会出现。
（三）初始弯曲分析
1、稳定系数的调整计算方法
初挠度的增加在考虑构件本身的二阶效应时会引起构件的整体稳定承载力降低，即整体稳定系数φ和稳定设计强度φ?降低。现场检测发现部分网架杆件存在较大的初始弯曲，而对于其稳定承载力压杆的初始弯曲υ0影响显著。对于初始弯曲的影响，可以由下式的近似简化方法计算得出调整后的稳定系数φ'：
式中W为构件截面抗弯模量；l为构件长度；Δυ0=υ0-l/1000为构件初始弯曲增量；NE为欧拉临界承载力；N为构件所受轴力；?为屈服应力。
2、初始完全对构件稳定系数的影响
分析杆件初始弯曲υ0=l/1000+Δυ0的取值在有限元模型计算结果的基础之上，对构件稳定系数的影响。将稳定系数与杆件的强度应力比之间的相对大小绘制成点阵图，如图4所示，其中实线表示二者相等时的临界状态。仍取稳定应力比σ/（φ?）=0.9为限值，来保证杆件不发生整体失稳，即图4中虚斜线下方的点表示杆件的稳定应力比超标。
图4 杆件强度应力比与稳定系数比较
五、网架结构的锈蚀处理
采用钢材制作网架结构的杆件和节点，容易锈蚀是钢材的最大缺点，锈蚀杆件截面减小，网架结构的使用年限和安全度会大大降低，当使用环境比较潮湿的情况下，特别要加强网架的防锈处理。在使用环境较潮湿的情况下，在现场网架结构检测过程中发现，网架使用时间不长，有些杆件已有锈蚀现象。
网架结构的防锈方法有3种：（1）在钢材表面用金属镀层保护；（2）涂以非金属保护层在钢材表面，这种方法效果好，价格便宜，适用性强，选择范围广而广泛应用；（3）改变金属结构的组织，为了提高钢材的抗锈蚀能力增加合金元素在钢材的炼制过程中，如采用不锈钢。当采用非金属涂料的防锈方法时，选择合适的底漆和面漆应根据网架的腐蚀介质情况、使用环境条件等条件，并确定涂层厚度。
在现场检查中发现螺栓球与部分螺栓球节点网架下弦杆间产生缝隙，引起这种变形的原因是下弦杆受拉所致，潮气很容易通过缝隙进入高强螺栓或钢管中，腐蚀高强螺栓。所以网架承受大部分荷载后，等网架屋盖系统安装完毕，将接缝处应用油腻子填嵌密实。当使用环境比较潮湿时，球节点网架焊接最好是采用密封性较好。为了方便焊接及进行防腐处理，网架节点设计时要注意不要出现死角。网架焊接及防腐处理困难由于节点设计不合理造成，检查中发现当网架周边的杆件埋在墙中时，杆件极易锈蚀，而杆件与墙面之间留有一定间隙时杆件不易锈蚀。所以在设计时应使网架周边杆件与墙面间留有一定间隙，防止杆件锈蚀及有利于杆件的维护。
结束语
总之，为了确保网架钢结构的安全性，应该采用有效的方法对安装误差以及温度应力的影响进行分析，若造成了杆件的应力超限，必须采用相应的措施进行加固；而在施工过程中应尽量避免造成杆件过大的初始弯曲，对已有的缺陷必须通过调整措施纠正弯曲或进行杆件更换。
参考文献：
[1]卢信贵.超大网架改造加固技术[J].建筑技术，2010，41（09）：788-790.
[2]徐芝纶.弹性力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3]李树林，张津涛，吴元，等.网架改造加固设计方法[J].钢结构，2009，24（11）：35-39.
【关键词】 网架钢结构；施工缺陷；安装误差；初始弯曲
一、网架结构的特点
体现在大中跨度的屋盖结构的网架结构最大优势，是采用网架结构比采用钢屋架及门式刚架更经济合理。由于杆件之间互相支撑作用，整体性好，刚度大，抗震能力强是网架结构最大的特点，而且能够承受由于地基不均匀沉降所带来的不利影响；即使在受到损伤个别杆件的情况下，为了保持结构的安全，也能自动调节杆件内力。网架结构取材方便，一般多采用Q235钢或16Mn钢，杆件截面形式多采用钢管或型钢（型钢以角钢为主），并且可以用小规格的杆件截面建造大跨度的建筑。
二、网架钢结构常见施工缺陷
网架钢结构一般由网架杆件、杆件节点、支座以及下部（支承）结构组成。由于制作、运输、焊接、安装过程中不确定因素的影响，网架钢结构在施工过程中通常会产生以下几方面的施工缺陷。
（一）杆件初始弯曲
杆件初始弯曲是指初始弯曲单根杆件，通常由运输碰撞、制作安装精度等原因造成，而特别是压杆的稳定承载力，初始弯曲对杆件的承载能力具有显著的影响。
（二）安装误差
安装误差是指理想设计状态与结构安装完成后的位形之间的差别，由于理想状态的结构位形是结构设计的对象，由于结构的自重、施工精度以及作用荷載在实际施工过程中的影响，理想设计状态与安装完成后的结构位形会存在必然的差别。对这种允许误差在相应的规范规程中，有明确的规定。
（三）节点缺陷
包括焊接节点和螺栓球节点的常见节点形式，对于螺栓球节点可能存在缺失紧固螺钉、未封闭多余球孔、杆件套筒松动等施工缺陷；焊接节点上有一定的几率会出现不同形式的焊接问题。
（四）支座缺陷
支座是网架结构的重要组成部分，对于支座功能比较特殊的，必须要根据相应的要求进行施工缺陷检查；对于普通固定铰支座需要排查支座处的焊缝质量、螺母紧固情况等。
三、工程概述
在某体育场馆建设过程中，屋面采用的便是大跨度的钢网架结构。游泳馆宽度有50m，而南北方向的最大跨度也达到了82m，最大的自由度约为21m。因此，在网结构的螺栓球节点上适宜采用拱形设计，在施工中就能够保证网结构得到合理的运用。在网架结构安装完毕之后，需要将超薄的钢结构防火涂料在其表面上涂抹，从而使得钢结构屋盖具有一定的防火能力。结构示意图如下图1所示。
图1 屋面网架钢结构示意
在安装完成屋面网架钢结构之后对其进行了位形测量和检测，该结构根据检测测量结果发现主要存在以下施工缺陷：1）少数杆件存在明显的初始弯曲；2）局部安装误差较大。根据对球节点的空间坐标测量，理论坐标与部分节点相差较大，其中竖向坐标相差超过40mm的节点达到26个；3）节点缺陷。该结构采用的是螺栓球节点，主要缺陷包括紧固螺钉缺失、杆件套筒松动、多余球孔未封闭等。
四、网架结构分析
（一）计算模型
为了分析网架厚度、底部支承结构、网架宽度、弦杆尺寸对应力的影响，用SAP2000软件建立网架模型如图2。钢材强度等级为Q345，在弹性状态下进行分析。网格尺寸为4.5m×4.5m，柱高18m。模型中坐标原点为网架的中心，横坐标为x轴，纵坐标为y轴。模型采用正放四角锥网架，模型相关参数见表1所示。
表1 网架模型参数表
（二）计算结果及分析
1、标准模型计算结果
模型M-3的弦杆在温度荷载+30℃作用下，离网架中线不同距离弦杆的最大温度压应力如图3所示。网架最大温度应力对称出现于网架的4个角部附近的下弦杆处。从图3可以看到，与边柱相连弦杆的最大温度应力沿y方向逐渐增大，沿y轴最大温度应力的波动现象越来越明显，与边柱不相连弦杆类似。对比与边柱相连和与边柱不相连的情况可知，与边柱相连比不与边柱相连的弦杆的最大温度应力大得多，且越靠近网架的外侧差距越明显。与边柱相连的弦杆越靠近外侧最大温度应力越大，不与边柱相连的弦杆越靠近外侧最大温度应力越小。
图3 弦杆的最大温度压应力
2、计算结果对比
表2列出了在不同工况组合下的构件施加几何初始缺陷有限元模型和完善有限元模型应力情况。
表2 不同模型有限元计算结果对比
根据表2，考虑安装误差之后在不同工况下的有限元模型增加超限杆件的数量，提高了最大设计应力平均值。对于网架钢结构，结构的不安全因素安装误差可能会出现。
（三）初始弯曲分析
1、稳定系数的调整计算方法
初挠度的增加在考虑构件本身的二阶效应时会引起构件的整体稳定承载力降低，即整体稳定系数φ和稳定设计强度φ?降低。现场检测发现部分网架杆件存在较大的初始弯曲，而对于其稳定承载力压杆的初始弯曲υ0影响显著。对于初始弯曲的影响，可以由下式的近似简化方法计算得出调整后的稳定系数φ'：
式中W为构件截面抗弯模量；l为构件长度；Δυ0=υ0-l/1000为构件初始弯曲增量；NE为欧拉临界承载力；N为构件所受轴力；?为屈服应力。
2、初始完全对构件稳定系数的影响
分析杆件初始弯曲υ0=l/1000+Δυ0的取值在有限元模型计算结果的基础之上，对构件稳定系数的影响。将稳定系数与杆件的强度应力比之间的相对大小绘制成点阵图，如图4所示，其中实线表示二者相等时的临界状态。仍取稳定应力比σ/（φ?）=0.9为限值，来保证杆件不发生整体失稳，即图4中虚斜线下方的点表示杆件的稳定应力比超标。
图4 杆件强度应力比与稳定系数比较
五、网架结构的锈蚀处理
采用钢材制作网架结构的杆件和节点，容易锈蚀是钢材的最大缺点，锈蚀杆件截面减小，网架结构的使用年限和安全度会大大降低，当使用环境比较潮湿的情况下，特别要加强网架的防锈处理。在使用环境较潮湿的情况下，在现场网架结构检测过程中发现，网架使用时间不长，有些杆件已有锈蚀现象。
网架结构的防锈方法有3种：（1）在钢材表面用金属镀层保护；（2）涂以非金属保护层在钢材表面，这种方法效果好，价格便宜，适用性强，选择范围广而广泛应用；（3）改变金属结构的组织，为了提高钢材的抗锈蚀能力增加合金元素在钢材的炼制过程中，如采用不锈钢。当采用非金属涂料的防锈方法时，选择合适的底漆和面漆应根据网架的腐蚀介质情况、使用环境条件等条件，并确定涂层厚度。
在现场检查中发现螺栓球与部分螺栓球节点网架下弦杆间产生缝隙，引起这种变形的原因是下弦杆受拉所致，潮气很容易通过缝隙进入高强螺栓或钢管中，腐蚀高强螺栓。所以网架承受大部分荷载后，等网架屋盖系统安装完毕，将接缝处应用油腻子填嵌密实。当使用环境比较潮湿时，球节点网架焊接最好是采用密封性较好。为了方便焊接及进行防腐处理，网架节点设计时要注意不要出现死角。网架焊接及防腐处理困难由于节点设计不合理造成，检查中发现当网架周边的杆件埋在墙中时，杆件极易锈蚀，而杆件与墙面之间留有一定间隙时杆件不易锈蚀。所以在设计时应使网架周边杆件与墙面间留有一定间隙，防止杆件锈蚀及有利于杆件的维护。
结束语
总之，为了确保网架钢结构的安全性，应该采用有效的方法对安装误差以及温度应力的影响进行分析，若造成了杆件的应力超限，必须采用相应的措施进行加固；而在施工过程中应尽量避免造成杆件过大的初始弯曲，对已有的缺陷必须通过调整措施纠正弯曲或进行杆件更换。
参考文献：
[1]卢信贵.超大网架改造加固技术[J].建筑技术，2010，41（09）：788-790.
[2]徐芝纶.弹性力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3]李树林，张津涛，吴元，等.网架改造加固设计方法[J].钢结构，2009，24（11）：35-39.