某仨連體型開(kāi)口單層球面網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與研究

鄒國(guó)勝

(浙江綠筑建筑系統(tǒng)集成有限公司上海分公司， 上海 200233)

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某仨連體型開(kāi)口單層球面網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與研究

鄒國(guó)勝

(浙江綠筑建筑系統(tǒng)集成有限公司上海分公司， 上海 200233)

【摘要】針對(duì)某仨連體型開(kāi)口單層球面網(wǎng)殼，對(duì)殼體分別采用肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型、扇形三向網(wǎng)格3種分割方法進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比研究。文章對(duì)連體型單層開(kāi)口球面網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】單層球面網(wǎng)殼；開(kāi)口型網(wǎng)殼；連體型；設(shè)計(jì)；研究

1工程概況

工程共有3 個(gè)單層半球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，球體直徑為20m、20m、24m，中間采用梁柱體系連接，中間部分按建筑要求無(wú)落柱，如圖1～圖3所示。抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，場(chǎng)地的基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，地面粗糙度為B類(lèi)。工程采用獨(dú)立基礎(chǔ)，為了保證基礎(chǔ)能夠抵抗殼體的水平推力，地梁采用環(huán)形閉合地梁。殼體部分采用玻璃幕墻、中間部分采用直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)質(zhì)量較輕。

圖1　肋環(huán)型計(jì)算模型

圖2　肋環(huán)斜桿型計(jì)算模型

2結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一般的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)多為完整性網(wǎng)殼，在底層設(shè)置立柱形成人口門(mén)洞。本工程由于建筑造型的要求，在中間處采用梁柱體系，中間不落柱。在每個(gè)網(wǎng)殼的連體側(cè)，有個(gè)大開(kāi)洞，洞高約4.0m，洞長(zhǎng)約12m，如果不采取補(bǔ)強(qiáng)措施，結(jié)構(gòu)難于成立。由于建筑造型及防水的需要，中間部分標(biāo)高必須和3個(gè)網(wǎng)殼的一個(gè)環(huán)向網(wǎng)格在一個(gè)標(biāo)高處，這樣有利于防水，(圖1～圖3)，每個(gè)單層網(wǎng)殼設(shè)7～8個(gè)支座。對(duì)單層網(wǎng)殼，分別用肋環(huán)型(圖1)、肋環(huán)斜桿型(圖2)、扇形三向網(wǎng)格型(圖3)3種網(wǎng)格類(lèi)型，并考慮在不同約束情況下(鉸接及剛接)，各種結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比。對(duì)于整體規(guī)則，結(jié)構(gòu)獨(dú)立的半球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)而言，其受力對(duì)稱(chēng)均勻合理，是一種比較理想的空間受力體系，曹正罡[1]、周飛[2]、劉峰[3]等對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的研究。但對(duì)于不規(guī)則的球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，研究則比較少，只有景輝[4]、陳慶軍[5]等進(jìn)行過(guò)研究。但對(duì)連體型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，筆者沒(méi)有找到相應(yīng)研究。

3計(jì)算相關(guān)參數(shù)

結(jié)構(gòu)采用MidasGen2014軟件進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算主要考慮了恒荷載D=1.0kN/m2，活荷載0.5kN/m2，風(fēng)荷載(基本風(fēng)壓W0=0.40kN/m2)，風(fēng)振系數(shù)取1.3，溫度作用按±30°考慮，設(shè)防烈度為8度(0.2g)，場(chǎng)地類(lèi)別為二類(lèi)。

4結(jié)果分析與研究

本文采用3種模型進(jìn)行對(duì)比，分別為肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型、扇形三向網(wǎng)格3種網(wǎng)格。為了對(duì)3種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，3種結(jié)構(gòu)形式盡量采用相同的截面，如表1所示。

表1　三種網(wǎng)殼形式截面

4.1恒活荷載作用下的內(nèi)力反應(yīng)

在恒荷載的的作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力反應(yīng)(軸力：Fx)如圖4所示。從圖4～圖6可以看出，內(nèi)力圖呈椰樹(shù)狀分布，在主肋(即在徑肋有支座處)內(nèi)力最大；但是椰樹(shù)狀分布的形態(tài)，肋環(huán)型最為明顯。

圖4　肋環(huán)型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在恒荷載作用下軸力

圖5　肋環(huán)斜桿型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在恒荷載作用下軸力

圖6　扇形三向網(wǎng)格型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在恒荷載作用下軸力

肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型、扇形三向網(wǎng)格在剛接和鉸接兩種情況在恒載、活載作用下殼體處產(chǎn)生的最大內(nèi)力見(jiàn)表2。

從表2 可以看出，支座條件是鉸接還是剛接對(duì)結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性計(jì)算結(jié)果影響很小。

4.2溫度作用的影響

工程總長(zhǎng)度不是太長(zhǎng)，但通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在溫度作用下，有些結(jié)構(gòu)溫度作用下影響較大，如圖7～圖9 所示，內(nèi)力比較如表3 所示。

表2　三種網(wǎng)格形式剛接鉸接情況下在

圖7　肋環(huán)型在溫度荷載作用下軸力

圖8　肋環(huán)斜桿型在溫度作用下的軸力

圖9　扇形三向網(wǎng)格型在溫度作用下的軸力

殼體網(wǎng)格類(lèi)型支座情況最大內(nèi)力/kN網(wǎng)殼最大水平位移/mm肋環(huán)型剛接547鉸接548肋環(huán)斜桿型剛接2245鉸接2265扇形三向網(wǎng)格剛接2444鉸接2314

從表3可知，肋環(huán)斜桿型、扇形三向網(wǎng)格在溫度作用下的內(nèi)力比肋環(huán)型大的多?？梢?jiàn)肋環(huán)斜桿型、扇形三向網(wǎng)格的側(cè)向剛度比肋環(huán)型大。

4.3自振周期的對(duì)比

3種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自振周期如表4 所示。

表4　各情況下結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比　s

從表4可以看出，3種類(lèi)型的自振周期，鉸接情形的比剛接情形的自振周期略大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)鉸接情形下結(jié)構(gòu)更柔；另外，從3種類(lèi)型來(lái)看，按自振周期從大往小依次為扇形三向網(wǎng)格、肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型，說(shuō)明3種結(jié)果的剛度從小到大依次為扇形三向網(wǎng)格、肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型。

4.4整體線(xiàn)性穩(wěn)定的分析

對(duì)于不規(guī)則的球形網(wǎng)殼，門(mén)洞的設(shè)置肯定會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。在恒載和活載作用下，對(duì)結(jié)構(gòu)的特征值屈曲進(jìn)行分析研究。

屈曲分析的特征值方程為：

式中：λ為特征值；{ψ}為特征向量；[K0]為彈性剛度矩陣；[Kσ]為幾何剛度矩陣。經(jīng)過(guò)計(jì)算，3種結(jié)果在恒活作用下的屈曲因子如表5所示。

從表5可以看出，3個(gè)結(jié)構(gòu)均屈曲因子較大，且有規(guī)律。3種分隔方式在剛接作用下的屈曲因子比鉸接情況下更大；屈曲因子大小按照扇形三向網(wǎng)格、肋環(huán)斜桿型、肋環(huán)型3種分隔方式遞減。

表5　各情況下結(jié)構(gòu)在恒活下的線(xiàn)性屈曲因子

5結(jié)論

(1)本結(jié)構(gòu)在3種網(wǎng)格劃分下在恒活荷載作用下的與結(jié)構(gòu)支座是鉸接和剛接關(guān)系不大。

(2)肋環(huán)斜桿型、扇形三向網(wǎng)格的側(cè)向剛度比肋環(huán)型大。

(3)按自振周期從大往小依次為扇形三向網(wǎng)格、肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型，說(shuō)明3種結(jié)構(gòu)的剛度從小到大依次為扇形三向網(wǎng)格、肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型。

(4)結(jié)構(gòu)的屈曲因子均較大，且屈曲因子大小按照扇形三向網(wǎng)格、肋環(huán)斜桿型、肋環(huán)型3種分隔方式遞減。

參考文獻(xiàn)

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[2]周飛，宛樹(shù)旗.單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J].國(guó)外建材科技，2007，28(3):119-122.

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[5]陳慶軍，賀盛，陳映瑞，等.某切邊不規(guī)則單層凱威特球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(12):68-73.

[作者信息]鄒國(guó)勝(1982～)，男，本科，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU311.3

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-03-12