大跨度三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

吳瑩卿

摘? 要：在目前的建筑領(lǐng)域中，柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠用于多種建筑物。這主要是由于此類建筑結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)跨度大與凈空高的特征，并且呈現(xiàn)獨(dú)特造型。對(duì)于柱面網(wǎng)殼的建筑結(jié)構(gòu)來講，大跨度三心圓應(yīng)當(dāng)屬于柱面網(wǎng)殼的典型結(jié)構(gòu)，其本身具備較高的空間利用率。因此在目前實(shí)踐中，關(guān)于柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有必要優(yōu)先選擇大跨度的三心圓結(jié)構(gòu)，并且因地制宜的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：大跨度三心圓柱面;網(wǎng)殼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)措施

中圖分類號(hào)：TU758? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

從結(jié)構(gòu)類型的角度講，柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以分為三心圓柱面以及圓柱面網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)。作為特殊的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)而言，大跨度的三心圓結(jié)構(gòu)具有不可忽視的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。具體在運(yùn)用時(shí)，如果選擇這種柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用于施工建設(shè)，那么可以靈活控制柱面網(wǎng)殼的落地角度，并且還能降低建筑基礎(chǔ)整體施工成本。因此作為建筑設(shè)計(jì)人員，其針對(duì)不同種類的建筑物有必要予以靈活設(shè)計(jì)，確保柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)優(yōu)越性。

1 大跨度三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的基本特征

大跨度的三心圓柱面特殊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)本身具有凈空較高、造型新穎、經(jīng)濟(jì)效益較好以及結(jié)構(gòu)跨度較大的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此在目前看來，上述的建筑網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠用于多種的建筑物設(shè)計(jì)。象針對(duì)儲(chǔ)存煤炭材料專用的火電廠倉(cāng)庫(kù)來講，運(yùn)用上述的網(wǎng)殼建筑構(gòu)造就具有良好的適用性。從矢量高度以及網(wǎng)殼跨度的不同劃分來看，現(xiàn)存的上述網(wǎng)殼構(gòu)造主要涵蓋了30 m～40 m的矢量高度以及130 m以內(nèi)的網(wǎng)殼跨度。

具體而言，柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)包括了三心圓柱面以及普通圓柱面的不同網(wǎng)殼構(gòu)造。經(jīng)過對(duì)比可見，三心圓柱面網(wǎng)殼由于具有較小的鉛垂線與落地切線夾角，因此水平結(jié)構(gòu)推力也并不會(huì)很強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于全過程的網(wǎng)殼建筑設(shè)計(jì)即可做到基礎(chǔ)費(fèi)用的全面減少。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還能做到結(jié)合現(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)條件，靈活選擇建筑結(jié)構(gòu)。

2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

三心圓柱面網(wǎng)殼作為目前的特殊建筑構(gòu)造而言，與之有關(guān)的建筑設(shè)計(jì)也體現(xiàn)為復(fù)雜性。因此在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員針對(duì)這種建筑網(wǎng)殼構(gòu)造應(yīng)當(dāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且確保將多種設(shè)計(jì)要點(diǎn)融入其中。與此同時(shí)，建筑設(shè)計(jì)人員針對(duì)建筑造價(jià)也要給予更多關(guān)注，從而運(yùn)用相應(yīng)舉措來減少資金成本與其他的設(shè)計(jì)成本。具體而言，關(guān)于三心圓柱面的建筑網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需要關(guān)注如下的設(shè)計(jì)要素。

2.1 確定整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

在多數(shù)情況下，對(duì)于圓弧構(gòu)成的三心圓柱面可以將其分成3段。在這其中，中間圓弧段具有較小的弧度與較大的半徑，而處于地平線下的圓心具有壓縮整體結(jié)構(gòu)空間的重要作用。此外，處于地平線上的兩側(cè)圓弧段具有較小的圓弧半徑。因此如果要做到優(yōu)化設(shè)計(jì)各個(gè)圓弧段，則關(guān)鍵在于確保鼓起的兩側(cè)圓弧段能達(dá)到最大的凸起程度。唯有如此，斗輪機(jī)才能具有充足的操作空間。

依照上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本思路，對(duì)于殼體應(yīng)當(dāng)適當(dāng)抬高處理，確保達(dá)到平緩的圓弧結(jié)構(gòu)過渡狀態(tài)。三心圓柱面具有較小的跨度，因此針對(duì)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造價(jià)能夠顯著降低，并且優(yōu)化了殼體投影占據(jù)的面積。相比于網(wǎng)殼本身的厚度而言，對(duì)于網(wǎng)格尺寸最好能夠適當(dāng)增大。并且，對(duì)于弦桿以及腹桿最好能夠限定于60°的最佳夾角，如此才能保證均勻性的桿件受力，確保建筑物達(dá)到整體的美觀度。

2.2 優(yōu)化荷載組合設(shè)計(jì)

從荷載工況的角度講，關(guān)鍵在于其中的活荷載與恒載設(shè)計(jì)優(yōu)化。除此以外，關(guān)于組合荷載還需考慮整個(gè)建筑物承受的豎向以及水平地震作用力，據(jù)此選取相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。具體而言，針對(duì)風(fēng)荷載在予以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)依照現(xiàn)行的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程。經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)之后，才能給出科學(xué)的風(fēng)荷載數(shù)值。通過分析試驗(yàn)結(jié)論，可以得知?jiǎng)恿Ψ糯笮?yīng)將會(huì)顯著影響到大跨度的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。并且，靜力風(fēng)荷載也會(huì)給荷載數(shù)據(jù)帶來某種影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員針對(duì)風(fēng)荷載效應(yīng)有必要予以適當(dāng)放大。

2.3 構(gòu)建模型并且分析結(jié)構(gòu)受力

關(guān)于構(gòu)建設(shè)計(jì)模型可以選擇3D3S軟件予以完成，全方位地優(yōu)化了模型結(jié)構(gòu)。對(duì)于受力模型而言，應(yīng)當(dāng)能夠選擇相匹配的多種桿件規(guī)格，并且據(jù)此確定目前的鋼材消耗總量。三心圓柱面具有特殊的網(wǎng)殼受力原理，對(duì)此有必要借助相應(yīng)的荷載模型來完成全方位的荷載受力分析。在此前提下，經(jīng)過判斷可知門式鋼架呈現(xiàn)特殊的彎矩分布，其中根源應(yīng)當(dāng)在于直線段以及兩側(cè)的圓弧段影響。因此，對(duì)于上述的荷載受力分析尤其需要關(guān)注對(duì)于直線段與圓弧段的全面優(yōu)化，如此才能達(dá)到改善受力狀態(tài)的目的。

此外，豎向荷載也會(huì)影響跨中最大位置的網(wǎng)殼受力。在疊加內(nèi)力的作用下，可知支座部位以及圓弧段部位將會(huì)承受最大的內(nèi)力。為保證整個(gè)建筑物穩(wěn)定性，那么需要優(yōu)化受力作用。經(jīng)過軟件模擬，可以得出結(jié)構(gòu)自振的基本規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)全方位的結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化。

3 應(yīng)注重的事項(xiàng)

三心圓柱面的特殊柱面網(wǎng)殼構(gòu)造在目前已經(jīng)可以用于多種多樣的建筑物設(shè)計(jì)。具體在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)依照有關(guān)的現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，并且結(jié)合此類圓柱面網(wǎng)殼的典型特征來選擇設(shè)計(jì)模式。經(jīng)由全面的設(shè)計(jì)考慮，應(yīng)當(dāng)能給出適合該建筑物的網(wǎng)殼幾何形狀。從現(xiàn)狀來看，建筑設(shè)計(jì)人員已經(jīng)能夠運(yùn)用軟件作為設(shè)計(jì)輔助，并且實(shí)現(xiàn)有限元分析的目標(biāo)。象3D3S軟件能夠用于給出靜力計(jì)算的結(jié)論，此外還能給出風(fēng)荷載的精確數(shù)值。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還需格外關(guān)注荷載體型參數(shù)以及基本風(fēng)壓，確保依照風(fēng)荷載系數(shù)予以精確計(jì)算。

經(jīng)過上述的計(jì)算分析以后，應(yīng)當(dāng)可以給出經(jīng)過簡(jiǎn)化以后的鋼拱架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模式。由此可見，門式鋼架與柱面網(wǎng)殼具有近似的受力特征。三心圓柱面的特殊網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于同時(shí)包括了直線段與圓弧段，因此能夠抵消拱腳推力，并且對(duì)于拱形受力也能達(dá)到最優(yōu)的均衡性。從網(wǎng)殼整體受力的視角來看，其中的桿件內(nèi)力很可能會(huì)受到支座變形的影響。作為典型的超靜定結(jié)構(gòu)而言，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件支撐力以及支座沉降力之間具有聯(lián)系。也就是說，如果增加了現(xiàn)有的水平支座總數(shù)，則會(huì)減小桿件內(nèi)力。

通過上述的受力特性分析，可見設(shè)計(jì)人員有必要格外關(guān)注支座偏移現(xiàn)象的產(chǎn)生。具體在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于鉆孔灌注樁最好選擇較大側(cè)向剛度的灌注樁或者選擇傾斜灌注樁。通過運(yùn)用失穩(wěn)模態(tài)分析可見，由于受到非線性的特殊幾何條件影響，因此將會(huì)減小臨界的荷載系數(shù)。因此針對(duì)桿件應(yīng)力在予以校核過程中，關(guān)鍵在于適當(dāng)放大地震力效應(yīng)，如此才能達(dá)到優(yōu)化桿件受力的目標(biāo)。

6 結(jié)語

經(jīng)過分析可見，柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的大跨度三心圓結(jié)構(gòu)具有突顯的建筑設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。從當(dāng)前現(xiàn)狀來看，關(guān)于現(xiàn)階段的建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)可以選擇柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，從而全面體現(xiàn)了大跨度三心圓的柱面網(wǎng)殼構(gòu)造優(yōu)勢(shì)。未來在建筑設(shè)計(jì)的有關(guān)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員仍需歸納現(xiàn)存設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在此前提下致力于優(yōu)化建筑物的整體構(gòu)造性能，并且達(dá)到保障建筑物安全的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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