某商業(yè)中心屋面復(fù)雜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析

江世茹，張 斌

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

某商業(yè)中心屋面復(fù)雜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析

江世茹，張 斌

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

某商業(yè)中心屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)空間幾何造型復(fù)雜，跨度和局部懸挑都較大，并且限制網(wǎng)架厚度.采用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件對該屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析得到了結(jié)構(gòu)的振型和自振周期，又對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反應(yīng)譜分析從而得到了結(jié)構(gòu)的基底剪力和傾覆力矩，通過內(nèi)力計(jì)算得出了桿件截面并做出了優(yōu)化.對支座采取了構(gòu)造措施，使用橡膠支座和滑動支座，達(dá)到了更好地釋放溫度應(yīng)力的效果.

網(wǎng)架結(jié)構(gòu);網(wǎng)格;網(wǎng)架厚度;結(jié)構(gòu)分析;內(nèi)力計(jì)算

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，人們需要的建筑空間也在不斷增大.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在近年發(fā)展迅速，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一種，以較好的適用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性得到了較快的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用［1］.筆者以某商業(yè)中心屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為研究對象，從該網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究.

1 工程結(jié)構(gòu)

某商業(yè)活動中心屋面平面輪廓為不規(guī)則曲線.建筑外面上寬下窄，為四層框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)高度為28 m.屋面距主體結(jié)構(gòu)屋面8 m，由35根混凝土柱與主體結(jié)構(gòu)連接，一端接地，最大懸挑距離17 m.屋面水平投影長度方向的最長距離為140 m，寬度方向的最長距離為47 m，最小距離為34 m.由于接地部分周圍有行人通過，建筑要求不影響視覺效果，接地部分結(jié)構(gòu)寬度不能大于1 m，而頂部由于要包建筑外板，頂部結(jié)構(gòu)厚度不能大于2.4 m.

該工程采用雙層網(wǎng)架形式［2］.網(wǎng)架由正放四角錐和部分三角錐的網(wǎng)格組成，正放四角錐網(wǎng)架是由倒置的四角錐體為組成單元，錐底的四邊為網(wǎng)架上弦桿，錐棱為腹桿，各錐頂相連即為下弦桿.網(wǎng)格劃分為2.1 m ×2.1 m，1.5 m ×1.5 m 兩種.由于建筑要求，網(wǎng)架厚度取2.1 m，接地處厚度取1 m.

由于網(wǎng)架較為復(fù)雜，首先采用AutoCAD進(jìn)行三維建模.初步模型的接地端與頂部交接處較為粗略，剖面為折線，進(jìn)行到后續(xù)的計(jì)算時，在接地端和頂端交界處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，對結(jié)果產(chǎn)生了不利影響.后經(jīng)多次調(diào)整模型，把接地端與頂面交接處改為單曲面，計(jì)算結(jié)果得到很大改善.最后的CAD三維模型如圖1所示.

圖1 CAD三維模型

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 荷載取值

上弦恒荷載主要考慮屋面板自重，根據(jù)建筑提供的材料，取0.3 kN/m2.下弦恒荷載主要考慮吊頂荷載和燈的自重，取0.5 kN/m2.

活荷載主要考慮雪荷載以及安裝時安裝人員的自重，取 0.5 kN/m2.

工程所在地50年一遇的基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，各部分的體型系數(shù)us取值參考文獻(xiàn)［3］，根據(jù)公式wk=βzusuzω0計(jì)算得到風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值［3］.

2.2 荷載組合

建筑安全等級為二級，重要性系數(shù)為1.0.分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)按文獻(xiàn)［3］選取，參與組合的荷載有恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載.參與計(jì)算的荷載組合為:①1.2恒荷載 +1.4活荷載;②1.2恒荷載+1.4 風(fēng)荷載;③1.2 恒荷載 +1.4 ×0.9(活荷載 +風(fēng)荷載);④1.35 恒荷載 +1.4 ×0.7 活荷載;⑤1.35恒荷載 +1.4 ×0.6 風(fēng)荷載;⑥1.35 恒荷載 +1.4 ×0.7 活荷載 +1.4 ×0.6 風(fēng)荷載;⑦1.2(恒荷載 +0.5活荷載)+1.3地震荷載;⑧1.2(恒荷載 +0.5活荷載)+1.3地震荷載+1.4風(fēng)荷載.

2.3 支座構(gòu)造措施

在支座上應(yīng)采取構(gòu)造措施，即采用橡膠支座和滑動支座.由于屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一個整體，中間沒有變形縫，采用這兩種支座對釋放溫度應(yīng)力有利［4］.該工程在中央部分的兩排柱子柱頂設(shè)置橡膠支座，周圍其余采用滑動支座.

2.4 內(nèi)力計(jì)算

2.4.1 邊界條件

網(wǎng)架接地端與地面為鉸接(約束X，Y，Z方向平動)，頂端由35根混凝土柱與主體結(jié)構(gòu)相連，所以柱底與主體結(jié)構(gòu)為剛接(約束X，Y，Z方向平動和轉(zhuǎn)動).

2.4.2 桿件截面優(yōu)化

整個結(jié)構(gòu)全部由桿單元組成，各單元之間均為

由表1及圖2—5可知，網(wǎng)架Y向剛度大于X向剛度，在接地端和頂端交界處的部分剛度較小，懸挑鉸接，由高強(qiáng)度螺栓球連接.根據(jù)各荷載工況組合，采用分析軟件SAP2000，首先指定一個初選截面，由軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，得到最優(yōu)化截面.然后以此組截面為準(zhǔn)，分析計(jì)算在各工況組合下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，局部調(diào)整不符合要求的截面，最終得出結(jié)構(gòu)的桿件截面.采用Q235無縫鋼管，桿件規(guī)格為:d89×4，d95×5，d108 ×6，d121 ×6，d140 ×8［5］.

2.4.3 撓度控制

經(jīng)過計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點(diǎn)位移出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)右下端的上弦節(jié)點(diǎn)(懸挑17 m處)，豎向位移最大值為126 mm，滿足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ7—91)中用作屋蓋的網(wǎng)架撓度不大于L/250(136 mm;L為短向跨度)的規(guī)定，懸挑部分撓度不大于L/128(132 mm;L為懸挑長度)的規(guī)定［6］.

2.5 模態(tài)分析

第1振型為X向平動，自振周期為0.616 48;第2振型為Y向平動，自振周期為0.587 15;第3振型為整體扭轉(zhuǎn)，自振周期為0.579 35.其他振型的自振周期和頻率見表1，前4階振型如圖2—5所示.距離較大的頂端右下部分剛度也較小，出現(xiàn)局部振動，在進(jìn)行截面設(shè)計(jì)時應(yīng)適當(dāng)加大構(gòu)件截面.

表1 自振周期和頻率表

2.6 反應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)基底剪力和傾覆力矩見表2.結(jié)構(gòu)在反應(yīng)譜工況下，X向基地剪力為1 300.47 kN，Y向基地剪力為1 293.68 kN.X向基地剪力大于Y向基地剪力，說明結(jié)構(gòu)在X向抵抗剪力能力較強(qiáng)，主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)X向尺寸大于Y向尺寸，X向的水平抗側(cè)力構(gòu)件要多于Y向.結(jié)構(gòu)在X向、Y向和Z向的傾覆力矩分別見表2，Z向的傾覆力矩最大，說明結(jié)構(gòu)繞Z軸的抵抗反轉(zhuǎn)能力最強(qiáng).

表2 基底剪力和傾覆力矩

3 結(jié)語

1)該工程屋面造型優(yōu)美，但給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了很大的難度.采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能很好地滿足建筑造型要求和結(jié)構(gòu)受力變形要求，并且施工安裝方便.

2)通過該工程設(shè)計(jì)可以得出，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，不用拘束采用固定的模式，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，在原有的網(wǎng)架上靈活布置桿件，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，外觀造型、受力變形等方面的要求.

3)采用橡膠支座和滑動支座可以減小最下部架構(gòu)的水平推力.

4)通過有限元分析軟件SAP2000的分析與計(jì)算，結(jié)果表明，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，桿件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和長細(xì)比都滿足規(guī)范要求.

［1］鄧勇軍，姚勇，張兆強(qiáng)，等.某大跨空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震加固數(shù)值分析研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，10(2):55 －58.

［2］李曉潤，李文，王燕.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)體育館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架滑移施工安裝技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2011，25(5):15－18.

［3］中國建筑科學(xué)研究院.GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］張艷明.煙臺火車站異型懸挑網(wǎng)架安裝方案選擇及關(guān)鍵技術(shù)［J］.建筑技術(shù)，2009，21(10):89 －93.

［5］北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院.GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［6］中國建筑科學(xué)研究院.GB50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

Analysis on Complex Grid Structure of a Commercial Center Roof

JIANG Shi-ru，ZHANG bin
(Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China)

The roof grid structure of a commercial center is researched in this paper.This grid structure has a complex geometry form，long span and big local overhang.What's more，the thickness of the structure is limited.The structural analysis software SAP2000 is adopted to make a finite element analysis for the grid structure.Through the modal analysis on the structure，the structure's vibration shape and the natural vibration period are obtained.By the spectrum analysis，the structure's basal shear and overturning torque are acquired.Through the internal force calculation，the section of the rod piece is obtained and its optimization is made.The structural measures are taken for the supports，and the temperature stresses are more effectively released by the use of the rubber support and sliding support.

grid structure;grid;grid thickness;structural analysis;internal force calculation

1002－5634(2012)03－0044－03

2012－03－19

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51178388).

江世茹(1987—)，男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)方面的研究.

(責(zé)任編輯:陳海濤)