大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構設計要點

袁耀明

[摘要]鋼鐵企業(yè)的露天原料廠很多不符合當今我國的環(huán)保要求，所以需要新型的符合環(huán)保要求的原料廠來替代。由于生產(chǎn)工藝限制，封閉結(jié)構必須滿足空間大跨的要求，大跨度柱面網(wǎng)殼以其優(yōu)異的空間大跨的結(jié)構性能，本文將重點闡述該結(jié)構形式的優(yōu)勢及設計要點。

[關鍵詞]大跨度;網(wǎng)殼;空間結(jié)構

文章編號：2095-4085（2019）03-0032-01

1概述

大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構該結(jié)構形式具有三維受力特點，該結(jié)構為超靜定結(jié)構，如果出現(xiàn)某桿位置失效，大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構可以通過內(nèi)力的調(diào)節(jié)，重新達到穩(wěn)定，安全度較高。交匯于節(jié)點處的桿件相互支撐，增強了結(jié)構的穩(wěn)定性，也具有一定的抗震能力。該結(jié)構還有節(jié)約材料，安裝方便，空間剛度大，適于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。該結(jié)構形式是近半個世紀以來應用最廣的一種空間結(jié)構。

2設計方法

大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構，無論采用哪種節(jié)點，荷載都在節(jié)點上，構件內(nèi)力僅為軸向拉力和壓力，由節(jié)點剛度引起的桿件彎矩很小。按照空間桿系結(jié)構進行計算，桿件之間的連接假定為鉸接，忽略節(jié)點剛度的影響和次應力引起的桿件內(nèi)力變化。受荷后網(wǎng)格結(jié)構位移很小，屬于小撓度范疇，不必考慮因撓度所引起的結(jié)構幾何非線性;另外結(jié)構設計時鋼材處于彈性階段，不必考慮材料的非線性，這樣大大縮短了結(jié)構計算時間。

傳統(tǒng)計算方法分為兩類，一類是連續(xù)化假定，一類是離散化假定。連續(xù)化假定已很少采用;離散化假定也就是通常所說的有限單元法，這種方法首先將結(jié)構離散為各個單元，在單元基礎上建立單元節(jié)點力和節(jié)點位移之間的基本方程，以及相應的單元剛度矩陣，然后利用節(jié)點平衡條件和位移協(xié)調(diào)條件建立整體結(jié)構節(jié)點荷載和節(jié)點位移關系的基本方程，及其相應的總體剛度矩陣，通過引入邊界約束條件求解出節(jié)點位移，再由節(jié)點位移計算出桿件內(nèi)力。

復雜的網(wǎng)架結(jié)構桿件數(shù)量多，計算量大，需要輔助設計軟件進行計算，目前國內(nèi)空間結(jié)構輔助設計軟件有3D3S，SFCAD，MST及SAP2000，其中3D3S在建模與模型編輯，荷載添加，構件分析驗算，后處理，節(jié)點設計等方面均有獨特優(yōu)勢，作為主要的輔助設計軟件，用SAP2000進行校核驗算。

3案例分析

以某封閉料場進行案例分析，案例概況：三心圓柱面網(wǎng)殼由三心圓擬合而成，中部以半徑為63m的圓弧進行12等分，每等分3.51m，兩邊以半徑為31m的圓弧進行11等分，每等分3.485m，大小圓在相交點相切，為減小水平推力，兩小圓弧與基礎頂面正交，網(wǎng)殼厚度為3m，最終模型凈跨77m，外包尺寸83m，矢高為32.75m。

網(wǎng)殼計算參數(shù)：沿網(wǎng)殼面均勻分布的檁條及屋面板等恒荷載：0.25kN/m2;活荷載0.5kN/m2;基本雪壓0.4kN/m2;基本風壓0.6kN/m2;網(wǎng)殼自重模型自動計算。

3D3S開發(fā)平臺為CAD，建模操作相對靈活，可以利用CAD命令進行操作，利用線段來擬合三心圓網(wǎng)殼，然后對幾何線段賦予結(jié)構屬性，如截面尺寸，材料屬性等，通過桿件導荷，將面荷載轉(zhuǎn)化成節(jié)點荷載施加到結(jié)構模型，最后按照實際支座位置設置邊界約束條件，這樣就形成了最終的結(jié)構模型，通過設置求解參數(shù)，如抗震設防烈度，地震分組，場地類別，阻尼比等參數(shù)，對結(jié)構模型進行求解。最終利用SAP2000復核3d3s計算結(jié)果，通過對比發(fā)現(xiàn)結(jié)果完全一致。

4設計及施工中中應注意的問題

大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構對荷載比較敏感，荷載取值必須做到盡可能的精準，以恒荷載為例，以往結(jié)構設計中認為恒荷載對結(jié)構不利，可適當取大值，以保證結(jié)構安全，但是柱面網(wǎng)殼并非如此，很有可能由于恒載取值過大，導致在風荷載控制的組合工況下本應拉壓發(fā)生轉(zhuǎn)變的桿件沒有發(fā)生拉壓轉(zhuǎn)變，意味著計算過程中始終處于受拉狀態(tài)的桿件在實際工作過程中處于受壓狀態(tài)，這是不安全的。

大跨度柱面網(wǎng)殼結(jié)構的抗風設計參數(shù)取值主要參考高層或高聳結(jié)構設計規(guī)范，由于設計依據(jù)少，難以選取風振系數(shù)，這種取值方法還不夠完善，風振系數(shù)的選取主要靠經(jīng)驗。

網(wǎng)殼結(jié)構的支座通常采用鉸接形式。考慮到支座不可能存在理想的不動鉸支座，也就是說支座在兩個水平方向上是一種彈性支承。既然是彈性支撐，就涉及到了彈性支撐的線剛度問題。由于影響這一支承剛度很難精準進行計算，那么如何來解決這個支座剛度為問題的關鍵。目前關于這個問題的解決方案就是對支座支承剛度進行包絡設計，通過支承剛度自足夠小到足夠大這一包絡設計過程，以充分保證結(jié)構的安全可靠。

5結(jié)語

該結(jié)構形式設過程中計算已經(jīng)比較成熟，但應注意施工工況的驗算，跟蹤計算每一施工步驟的受力狀態(tài)變化，避免采用不同的施工方法和施工順序引發(fā)的工程事故。

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