某雙層柱面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 霞，王 崗

（1.太原大學(xué)建筑工程系，山西 太原 030009；2.山西財經(jīng)大學(xué)財經(jīng)金融學(xué)院，山西 太原 030006）

1 網(wǎng)殼屋蓋概況

某鋼結(jié)構(gòu)廠房采用鋼柱支承的雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，受場地限制該廠房平面不規(guī)則，廠房整體平面圖，見圖1。屋蓋網(wǎng)殼最大跨度31.5m，厚度1.8m，失高5.8m，總高度10.5m，廠房整體側(cè)立面圖，見圖2，最小跨度9.220m，總長度105m。在方案階段，根據(jù)甲方要求廠房屋面要設(shè)計為曲面，同時考慮廠房平面不規(guī)則，最后確定采用雙層正交正方交叉桁架柱面網(wǎng)殼，下部支承結(jié)構(gòu)采用工字鋼柱，廠房整體計算模型三維視圖，見圖3。網(wǎng)殼節(jié)點采用焊接球，柱與網(wǎng)殼連接采用剛接，柱與基礎(chǔ)剛接。在本設(shè)計中，網(wǎng)殼采用鋼管，截面為60×3.0～159×8.0，工字鋼柱截面為H700×350×16×20，主體結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼，理論用鋼量為125 t，約 50 kg/m2。

圖1 廠房整體平面圖

圖2 廠房整體側(cè)立面圖

圖3 廠房整體計算模型三維視圖

2 結(jié)構(gòu)計算

2.1 荷載取值

（1）屋面恒荷載：鋼管自重，屋面板材0.5 kN/m2。

（2）屋面活荷載：0.5 kN/m2。

（3）風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，地面粗糙類型為B類。

（4）雪荷載：0.35 kN/m2。

（5）地震作用：抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2 g，場地土類別Ⅲ類。

2.2 荷載組合

建筑物安全等級為二級，重要性系數(shù)取1.0，分項系數(shù)、組合系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2001）選取，參與組合的荷載：恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載。計算了7種荷載組合如下：①1.20恒荷載+1.40活荷載；②1.20恒荷載+1.40風(fēng)荷載；③1.20恒荷載+1.40×0.90活荷載+1.40×0.90風(fēng)荷載；④1.20恒荷載+1.40×0.50活荷載+1.30地震荷載；⑤1.35恒荷載+1.40×0.70活荷載+1.40×0.60風(fēng)荷載；⑥1.35恒荷載+1.40×0.70活荷載；⑦1.35恒荷載+1.40×0.60風(fēng)荷載。

2.3 計算結(jié)果

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

本工程結(jié)構(gòu)采用同濟大學(xué)編制的3D3S軟件進行設(shè)計計算，采用有限元分析軟件SAP2000進行校核計算。

2.3.1 結(jié)構(gòu)的動力特性計算

結(jié)構(gòu)前9個振型自振周期結(jié)果，見表1，部分振型圖，見圖4。

由振型圖和結(jié)構(gòu)的自振周期表可見：①兩個程序計算的自振周期很接近，陣型相同只存在微小的差異；②結(jié)構(gòu)的自振周期較小，表明結(jié)構(gòu)的剛度較大；③前兩個振型為X向水平振型和扭轉(zhuǎn)振型，均為下部結(jié)構(gòu)振型，這與雙層網(wǎng)殼剛度較大，相比下部結(jié)構(gòu)剛度較小相符。從第三陣型開始為Y向彎曲和與Z向彎曲的組合耦合振型，頻譜較為密集，這與雙層網(wǎng)殼的整體剛度較大的實際情況相符合，充分體現(xiàn)了雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動力特點。

圖4 振型圖

2.3.2 結(jié)構(gòu)的靜力計算

由于篇幅的限制，文章的結(jié)構(gòu)靜力計算只考慮1.35恒荷載+1.40×0.70活荷載一種組合的計算。結(jié)構(gòu)最大位移計算結(jié)果，見表2，結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力計算結(jié)果，見表3。

由圖表可見，兩種程序計算結(jié)果基本接近。且由上述計算可知，在第一種荷載組合下，雙層網(wǎng)殼上弦桿、下弦桿、腹桿均以受壓桿件受力最大，其中上弦桿跨中桿件受力最大，下弦和腹桿均為支座附近桿件受力最大。

通過3D3S設(shè)計計算和有限元程序SAP2000校核結(jié)果表明：各個桿件的強度、穩(wěn)定和長細比均符合規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計、施工和使用的要求。

表2 結(jié)構(gòu)最大位移

表3 結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力

3 結(jié)束語

近年來，人們對空間結(jié)構(gòu)的認識在不斷的深入，它在工程實際中的應(yīng)用也逐漸廣泛?？臻g結(jié)構(gòu)有著巨大的市場前景和潛力，這種結(jié)構(gòu)在達到自身安全性、耐久性和經(jīng)濟性的同時，還能給人以氣勢恢宏的力度和美感。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的建筑化，充分體現(xiàn)了力與美的完美統(tǒng)一。

[1]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50001—2001）

[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017—2003）

[3]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2001）