空间格构结构的设计

3.5　空间格构结构的设计

3.5.1　设计的内容和一般过程

空间格构结构的设计一般可分为以下几个设计过程：结构选型和布置→设定设计参数→结构分析→杆件截面的选择和强度校核→重分析→节点设计。以上是空间格构结构设计的一般过程，其中关于结构设计得“好”“坏”主要取决于结构选型和结构布置。选型实质上包括结构体系的选择，通常结构体系是一个包含屋面、构造、材料等方面的结构系统。当选择了一种结构类型和形式以后，进行结构布置，结构布置包括布置支承点及支承条件的设计。接着，需要选择合理的设计参数，如上所述，这些参数主要包括几何参数和物理参数，通常这些参数可通过优化研究来设置，也可凭借经验或参照相类似的结构进行初步设置。而结构分析则是结构设计中一个重要和主要过程，为进行结构分析需要选择合理的设计简图、分析模型，确定荷载和边界条件。结构分析的结果是截面选择和强度校核的主要依据。对于一些非常复杂的结构，除了进行理论分析外尚应进行试验，根据试验结果来调整设计。根据理论分析选择结构截面以后，结构刚度就发生了变化，这时就需要进行结构重分析，经过几次（一般不宜超过4次）的重分析后，可选择结构杆件的截面。如果经过重分析仍未能达到一个合理的结果，这时需要重新考虑结构选型和结构布置。在结构设计中，采用计算机技术进行自动设计是十分必要的，然而在设计过程中能够凭借经验对设计结果加以干预也是十分重要的。在完成上述设计过程后，如何说明设计得“好”“坏”呢？结构设计的内容和目标是应该使设计的结构具有一定的性能，设计得“好”“坏”体现在结构的性能上。结构的性能大致包括：结构的破坏机理和破坏形式；结构的力学性状；结构的合理性；结构的经济性。结构的破坏机理和破坏形式是最重要的，因为设计的结构首先应该具有可靠性，破坏形式应该得到控制，避免出现因强度刚度严重不匹配而造成极度的薄弱环节。如果一个结构中绝大多数杆件的应力水平都很低，其中一个或少数杆件应力却极高，由少数杆件的破坏引起结构的溃坏，这结构是不可靠的，是极危险的，所以希望对结构的破坏机理有个了解，对于结构可能发生的破坏过程十分清楚，这样结构就能得到控制。类似地结构的力学性能也十分重要，结构性能是设计所追求的重要目标。结构设计的合理性一部分体现在结构的性能中，另一部分体现在结构的经济性上。一个合理的结构系统，从屋面到节点、从构造到制作安装均十分顺畅和相宜，不会由其中某一个问题而带来一系列的问题。如若一个结构不太合理，也可能在截面选择、材料、节点、零部件的设计甚至加工制作和安装过程中都带来一系列难以达到标准的困难。所以，结构设计中总的考虑设计内容和过程是设计的一般方法。为了说明结构设计的一般方法，以下分别对常用的基本结构如网架、网壳、桁架等设计过程进行讨论。