某雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 放

(山西國(guó)電置業(yè)有限公司，山西太原 030002)

1 工程概況

該工程為某一體育場(chǎng)館的屋蓋工程，采用混凝土框架結(jié)構(gòu)為其下部支撐，屋蓋采用波形網(wǎng)殼形式(如圖1，圖2所示)，以實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)的美觀和滿足建筑功能設(shè)計(jì)的需要。空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在均布荷載作用下其內(nèi)力呈均勻的連續(xù)變化，即使是在集中荷載作用下，內(nèi)力也能較快的分散傳遞開(kāi)來(lái)。結(jié)構(gòu)采用雙層施威德勒型交叉桁架球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)徑肋把球面分為對(duì)稱的扇形曲面。在每個(gè)扇形面內(nèi)，再由桿件和斜桿組成大小較均勻的三角形網(wǎng)格。通過(guò)層間豎向、斜向撐桿支承屋面結(jié)構(gòu)，屋蓋跨度60 m，矢跨比為1/6。

圖1 圓形網(wǎng)殼俯視圖

2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)說(shuō)明見(jiàn)表1，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

本論文參照工程建筑效果圖和下部結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，在建模計(jì)算上使用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S，在做動(dòng)力分析時(shí)使用鋼結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000。設(shè)計(jì)依據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:JGJ 7-91網(wǎng)架規(guī)范、GB 5017-2001鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、GB 5009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范。

圖2 圓形網(wǎng)殼側(cè)視圖

表1 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)說(shuō)明

圖3 圓形網(wǎng)殼計(jì)算模型

4 設(shè)計(jì)荷載

因?yàn)楸竟こ虨殡p層球面網(wǎng)殼的形式，荷載取值根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。由于此結(jié)構(gòu)的建筑高度較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮地震荷載的影響。地震荷載的大小為根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［12］，地區(qū)為陜西西安，規(guī)范選取設(shè)防烈度為8度，地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑場(chǎng)地類別擬設(shè)為Ⅲ類。

在采用反應(yīng)譜分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)狀況時(shí)，應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)阻尼的影響。此網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)阻尼比取ζ=0.02。計(jì)算荷載時(shí)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范確定內(nèi)力設(shè)計(jì)值。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。結(jié)構(gòu)采用抗震設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮施工時(shí)溫度對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，溫度的取值選取了－20℃～20℃的溫度荷載作用，通過(guò)上述的各種永久荷載和可變荷載及偶然荷載的組合作用，確定出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)果分析

本結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)首先采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，分析了結(jié)構(gòu)的幾個(gè)震動(dòng)模態(tài);然后用SAP2000中的反應(yīng)譜法計(jì)算地震力作用下結(jié)構(gòu)的形態(tài);最后考慮了在地震的水平力、豎向力和其他各種荷載的組合作用下，結(jié)構(gòu)的桿件的內(nèi)力大小以及構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性情況。

1)動(dòng)力特性分析。

2)結(jié)構(gòu)振型分析。該結(jié)構(gòu)為施威德勒型交叉桁架球面網(wǎng)殼，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力特性的模態(tài)分析，表2結(jié)構(gòu)自振頻率描述出結(jié)構(gòu)前9階振型的自振周期結(jié)果及振動(dòng)形式。由結(jié)構(gòu)自振頻率和振型分析可知，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)頻譜相當(dāng)?shù)拿芗?，既有水平振型也有豎向振型，兩者交叉出現(xiàn)，因結(jié)構(gòu)的矢跨比較小，其模態(tài)形式接近平板網(wǎng)架的受力狀態(tài)，后面的振型也以豎向振型為主。第一振型和第二振型為平面外的彎曲，第三振型和第四振型為豎向振動(dòng)，其他振型主要集中在平面外彎曲或是耦合振動(dòng)形式。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)第一振型周期為0.376 93 s，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的剛度較大，并且無(wú)扭轉(zhuǎn)振型，因而該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求。

表2 結(jié)構(gòu)自振頻率

3)結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算。主要計(jì)算在各種荷載的作用下，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的桿件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)位移，并考慮地震力的作用與溫度荷載。通過(guò)計(jì)算各種荷載組合，得出網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件的最大內(nèi)力和結(jié)構(gòu)的最大位移，如表3所示，結(jié)構(gòu)桿件中單元的強(qiáng)度和穩(wěn)定性見(jiàn)表4。

表3 結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)最大位移 mm

表4 “強(qiáng)度應(yīng)力比”最大的前10個(gè)單元的驗(yàn)算結(jié)果

表3和表4的計(jì)算結(jié)果表明:在各種荷載組合作用下，該結(jié)構(gòu)各向節(jié)點(diǎn)最大位移能夠符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿足使用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在各種工況下的受力分析得出:本結(jié)構(gòu)的尺寸擬定和桿件布置形式均符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)中桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均符合施工和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的要求。結(jié)果表明:從設(shè)計(jì)、施工和使用要求來(lái)看，該結(jié)構(gòu)滿足要求。

［1］楊東溟，吳軍強(qiáng).不同類型單層網(wǎng)殼的靜力穩(wěn)定分析［J］.山西建筑，2013，39(29):41-42.