大跨度鋼網(wǎng)架屋蓋在引水工程凈水車間中的應(yīng)用

劉睿

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006）

1 建筑特點(diǎn)

凈水車間是引水工程中的主要建筑，車間內(nèi)包括濾池、沉淀池、配電室及泵房等多種構(gòu)筑物。長?？h跨海引水工程凈水車間占地面積2833.87 m，地下部分建筑面積100 m2，總建筑面積4510.24 m2，其中地上2層，建筑高度11.350 m。主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)形式。其總平面長74.20 m，寬36.40 m，其內(nèi)部空曠布置，中間無任何豎向支撐，這么大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)適合選擇鋼網(wǎng)架屋蓋體系。

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

網(wǎng)架體系由多根桿件有規(guī)律性組成的高次靜定空間結(jié)構(gòu)，由于桿件之間的相互支撐作用明顯，使其剛度大、整體性好，能承受由于地基不均勻沉降給屋面結(jié)構(gòu)帶來的不利影響；甚至在某根桿件破壞的情況下，也能在內(nèi)力重分布后保持結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。與常用的鋼筋混凝土屋面相比，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋面自重輕，故能有效降低水平和豎向地震作用。制作材料多采用標(biāo)準(zhǔn)的Q235B鋼或20 Mn鋼管，適宜規(guī)?；a(chǎn)，從而可以加快工程進(jìn)度、保證工程質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

3 網(wǎng)架設(shè)計分析實(shí)例

3.1 網(wǎng)架設(shè)計原則

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的外荷載按靜力等效的原則，將節(jié)點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中在節(jié)點(diǎn)上。結(jié)構(gòu)分析時忽略節(jié)點(diǎn)剛度的影響，假定節(jié)點(diǎn)為鉸接，桿件只承受軸向力。具體設(shè)計網(wǎng)架時采用空間桁架位移法，即網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)3個線位移為未知量，所有桿件為承受軸向力的鉸接桿系有限元法，并利用計算機(jī)進(jìn)行內(nèi)力和位移分析。

3.2 有限元法分析

此工程網(wǎng)架計算采用空間網(wǎng)架設(shè)計軟件，采用桿系有限元法計算節(jié)點(diǎn)位移和桿件內(nèi)力，進(jìn)行滿應(yīng)力分析優(yōu)化設(shè)計，并符合 JGJ7-91《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》中的規(guī)定。整體分析也可采用同濟(jì)大學(xué)的3D3510.1版有限元分析軟件；網(wǎng)架施工圖設(shè)計可采用浙江大學(xué)的MST2011版空間結(jié)構(gòu)分析軟件。

1）該網(wǎng)架的平面尺寸為73.8 m×36.0 m，網(wǎng)架投影面積2656.8 m2，網(wǎng)格尺寸分別為 3.0 m×3.0 m，2.6 m×3.0 m等2種。為正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架，網(wǎng)架厚度為2.7 m，起拱高度2.9 m。

2）網(wǎng)架荷載標(biāo)準(zhǔn)值。屋面采用壓型鋼板復(fù)合保溫屋面，網(wǎng)架自重由程序自動計算。上弦層：恒載1.20 kN/m2，活載 0.70 kN/m2；下弦層：恒載 0.10 kN/m2；基本風(fēng)壓 0.65 kN/m2，地面粗糙度 B 類；基本雪壓0.40 kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度7°，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g，抗震設(shè)計分組為第一組。

3）荷載組合。①恒載+活載（滿跨）；②恒載+活載+正溫；③恒載+活載+負(fù)溫；④恒載+活載（半跨懸掛荷載）+正溫；⑤恒載+活載（半跨懸掛荷載+負(fù)溫；⑥網(wǎng)架自重+半跨屋面板自重+施工荷載。溫度的作用按+30℃及-30℃來考慮。

3.3 網(wǎng)架設(shè)計控制及計算簡要結(jié)果

桿件控制應(yīng)力為190 N/mm2；桿件控制長細(xì)比為壓桿 180，拉桿 180；網(wǎng)架最大支座反力為368 kN；桿件最大設(shè)計應(yīng)力為184 N/mm2；網(wǎng)架最大撓度設(shè)計值為-92 mm（標(biāo)記“X”）。

4 網(wǎng)架支座布置

網(wǎng)架的支座形式直接決定網(wǎng)架的邊緣約束條件，即自由、彈性、固定3種約束條件。支座的選取直接影響到網(wǎng)架的安全、經(jīng)濟(jì)，在內(nèi)力分析中，網(wǎng)架產(chǎn)生的水平推力更與支座形式密切相關(guān)，也直接關(guān)系到整體內(nèi)力分析的基本假設(shè)。如鉸接支撐按排架計算，下部柱子的受力就會偏大，水平位移大。剛性支座應(yīng)按剛架模型計算。所以應(yīng)根據(jù)工程具體實(shí)際情況，合理確定網(wǎng)架的支承剛度和節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造，從而保證模型的計算準(zhǔn)確。

凈水車間由于跨度大，網(wǎng)架體量大，其水平推力較大，不能忽略。解決水平推力的主要力學(xué)方法有2種：1）通過加大構(gòu)件的抗力（截面尺寸）來實(shí)現(xiàn)；2）采用釋放位移的方式來抵消水平推力。而這2種方案，對建筑的造價影響很大，需要進(jìn)行綜合比選，選擇最優(yōu)方案。幾種支撐方案中框架柱的材料用量及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的對比見表1。

表1 各種結(jié)構(gòu)方案支撐框架柱直接費(fèi)用對比

由表1可知，選擇不同的結(jié)構(gòu)方案對建筑物造價的影響是很大的。因此，在選擇結(jié)構(gòu)方案時，擇優(yōu)。

5 網(wǎng)架和下部結(jié)構(gòu)分開計算需注意的問題

由于規(guī)范JGJ 7—91中，沒有規(guī)定必須把網(wǎng)架和下部結(jié)構(gòu)連成整體分析計算，多數(shù)計算程序是把網(wǎng)架和下部結(jié)構(gòu)分別計算在組合中，計算時需要注意以下幾個問題：

1）支座反力通常是用上部網(wǎng)架程序根據(jù)經(jīng)驗(yàn)荷載計算得到的，直接加到柱頂。沒有考慮施工時荷載變化，以及屋面形式和屋面材料的變更，造成柱頂反力控制不住，或材料用量過大不經(jīng)濟(jì)。

2）上部網(wǎng)架計算時，需考慮合理的假設(shè)邊界條件。由于凈水車間的跨度較大，支承剛度無窮大的假設(shè)并不適合該工程。在大跨度網(wǎng)架支座水平反力作用下，支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移會使內(nèi)力重新分布，導(dǎo)致網(wǎng)架各桿件計算內(nèi)力也與實(shí)際情況相差較大。設(shè)計人員可以通過合理的支座構(gòu)造，滿足軟件的假設(shè)設(shè)計條件整體計算，這樣得出的計算結(jié)果會和實(shí)際情況接近，而不是一刀切式地全部按三向不動支座計算。

3）加強(qiáng)基礎(chǔ)剛度和整體性。為了保證上部大跨度網(wǎng)架的豎向約束和減小變形，獨(dú)立基礎(chǔ)需滿足GB50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》5.3.4條沉降差的要求，有條件時最好調(diào)高標(biāo)準(zhǔn)。獨(dú)立基礎(chǔ)間應(yīng)設(shè)置基礎(chǔ)拉梁增加整體性。由于建筑較長，地質(zhì)條件可能有所不同，盡量保證地基層為同一土層，且基底應(yīng)力不宜差別過大。

6 網(wǎng)架安裝方法及適用范圍

網(wǎng)架安裝大致可分為整體吊裝法、整體提升法、高空滑移法、高空散裝法、分塊安裝法等幾種。分別適用于各類型網(wǎng)架、周邊支承及多點(diǎn)支承網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架、于螺栓連接節(jié)點(diǎn)的各種網(wǎng)架、可分割的網(wǎng)架。設(shè)計人員需與網(wǎng)架安裝廠家密切配合，跟蹤施工，及時調(diào)整施工荷載。

[1]JGJ7—91，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程[S].

[2]JGJ78-91，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].