西安異形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文／田維洲 悉地國際設(shè)計(jì)顧問（深圳）有限公司上海楊浦分公司 上海 200438

引言：

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是在20世紀(jì)中葉特別是近40 多年來蓬勃發(fā)展起來的新結(jié)構(gòu)，它是由多根桿件按照某種有規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點(diǎn)連接起來的空間結(jié)構(gòu)，與平面桁架、剛架不同之處在于連接構(gòu)造是空間的，可以充分發(fā)揮空間三維傳力的優(yōu)越性，特別適用于覆蓋大跨度建筑?？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)通常可分為網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其中又以網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，其具有跨越尺寸大，抗震性能好，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，本文從實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)闡述了單層網(wǎng)架的設(shè)計(jì)流程和注意事項(xiàng)。

1、工程概況

本項(xiàng)目為西安市某大型主題樂園，設(shè)防烈度為8 度0.2g，Ⅲ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為二組，本文介紹了其中一個(gè)場館的網(wǎng)架設(shè)計(jì)，該網(wǎng)架投影面積約8006 m，主要跨度64m，網(wǎng)架上弦標(biāo)高14.400，下弦周邊支承，采用正放四角錐形式，網(wǎng)架厚度3.5m，主要網(wǎng)格尺寸3.96mx3.96m，節(jié)點(diǎn)為焊接球節(jié)點(diǎn)，支座為成品抗震球鉸支座，下部支承結(jié)構(gòu)為單方向混凝土懸臂柱，柱截面尺寸為1200mmx2000mm，周圈有混凝土梁拉結(jié)，鋼材為Q355B，綜合用鋼量為68kg/m，三維模型如下圖1所示：

圖1 三維模型

2、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

2.1 網(wǎng)格布置

根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）（以下簡稱《網(wǎng)格規(guī)程》）網(wǎng)架跨高比為1/10～1/18，初步確定網(wǎng)架厚度4m，考慮柱上支座比梁上支座受力直接，能避免混凝土梁下?lián)蠈?duì)網(wǎng)架產(chǎn)生附加應(yīng)力，因此優(yōu)先考慮柱上支座，結(jié)合本項(xiàng)目柱跨8.4mx8.4m，斜向柱距11.9m，根據(jù)《網(wǎng)格規(guī)程》相鄰桿件夾角30°～45°要求，網(wǎng)格尺寸按柱距三等分即3.96m 考慮，在局部不規(guī)則處調(diào)整網(wǎng)格尺寸，但應(yīng)注意與主要網(wǎng)格相差不大，保證在感觀上網(wǎng)格尺度的連續(xù)性，且無雜亂之感，建模完成后初算仍有部分桿件夾角小于30°，且撓度尚有富余，因此將網(wǎng)架厚度減小到3.5m。

本項(xiàng)目由于建筑要求網(wǎng)架邊緣采用垂直邊，如按常規(guī)方式在網(wǎng)格邊緣將弦桿延伸過來（圖2）則邊緣相鄰斜腹桿夾角基本都小于30°，這里可以采用圖3做法，這樣桿件夾角均滿足要求。

圖2

圖3

2.2 屋面找坡

對(duì)于網(wǎng)架屋面找坡不僅關(guān)系到建筑專業(yè)，也涉及結(jié)構(gòu)計(jì)算，如果全部通過起小立柱的建筑找坡方式，屋脊處的小立柱高度近1.5m，除了需要關(guān)注立柱自身的穩(wěn)定性，其對(duì)網(wǎng)架的影響也要注意，且抗震不利，因此盡量采用結(jié)構(gòu)找坡，由于異形網(wǎng)架找坡線較多，全部采用結(jié)構(gòu)找坡較為困難，通過結(jié)構(gòu)找坡和立柱建筑找坡相結(jié)合的方式可以解決該問題，主要坡度結(jié)構(gòu)解決，局部復(fù)雜部位起小立柱局部調(diào)整，這樣屋脊線可以不在上弦節(jié)點(diǎn)處，找坡更為靈活。

3、荷載取值

3.1 恒載

該網(wǎng)架屋面為金屬屋面，上弦恒載為金屬屋面及相關(guān)系統(tǒng)重量(主要為金屬板自重、巖棉自重、小立柱、檁條自重等)，綜合考慮0.75KN/m，下弦無附加恒載，考慮節(jié)點(diǎn)自重按經(jīng)驗(yàn)值放大1.3 倍。

3.2 活載

上弦不上人屋面活載0.5KN/m，雪荷載按100年重現(xiàn)期為0.3KN/m，雖然按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）（以下簡稱《荷載規(guī)范》）規(guī)定不上人活載不與雪荷載同時(shí)組合，但并不能包絡(luò)取大，原因在于雪荷載要參與地震組合而屋面活載不參與；下弦考慮設(shè)備管線、燈具及檢修荷載綜合按0.5KN/m；由于該網(wǎng)架跨度較大，應(yīng)考慮活荷載不利布置，故增加上弦半跨活載的工況。

3.3 風(fēng)荷載

考慮到網(wǎng)架對(duì)風(fēng)敏感，基本風(fēng)壓適當(dāng)提高按0.40 KN/m考慮。

3.4 雪荷載

網(wǎng)架屬于雪荷載敏感結(jié)構(gòu)，按100年重現(xiàn)期基本雪壓為0.30 KN/m。

3.5 地震作用

西安為8 度0.2g，場地類別II 類，地震分組第二組，考慮豎向地震。

3.6 溫度作用

按《荷載規(guī)范》查到西安最低最高氣溫為-9℃、37℃，初始溫度按15℃，溫差考慮±25℃。

4、結(jié)構(gòu)分析及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 整體分析

本項(xiàng)目網(wǎng)架的下部支承結(jié)構(gòu)為混凝土懸臂柱，周邊沒有樓板約束，這就導(dǎo)致水平地震作用下懸臂柱自身是有一定側(cè)移的，同時(shí)又和網(wǎng)架變形相互影響，若采取以往的設(shè)計(jì)方法，混凝土部分和網(wǎng)架各自獨(dú)立建模，不考慮兩者的協(xié)同工作，會(huì)對(duì)網(wǎng)架的地震作用，特別是水平地震作用的計(jì)算產(chǎn)生顯著影響，甚至得出錯(cuò)誤結(jié)果。因此，考慮上下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作是該種結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算的基本原則。本工程采用同濟(jì)大學(xué)3D3S 軟件進(jìn)行整體建模計(jì)算，采取振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算水平和豎向地震作用，結(jié)構(gòu)阻尼比按材料自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架的陰角處有很大的應(yīng)力集中，其支座壓力達(dá)到了9000KN，且其附近的支座出現(xiàn)了較大的拉力，其原因在于網(wǎng)架平面形狀不規(guī)則導(dǎo)致支座受力不均勻，部分支座的拉力作用到相近的受壓支座上，從而使得該支座受到更大的壓力；計(jì)算還發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架陽角處支座也出現(xiàn)了超過1000KN 的拉力，如此大的拉力將造成網(wǎng)架支座設(shè)計(jì)困難，為此將部分拉力支座釋放，則陰角處的壓力減小到5000KN 左右，陽角按懸挑考慮，各支座反力均勻，受力更為合理。由于網(wǎng)架跨度較大溫度效應(yīng)明顯，起初采用固定鉸支座，施加溫度作用后發(fā)現(xiàn)支座水平反力較大，對(duì)此將支座設(shè)為彈性支座給予合適的支座水平剛度，過小的剛度導(dǎo)致網(wǎng)架水平位移過大，過大的剛度則釋放水平力的效果不明顯，經(jīng)多次試算后將支座剛度設(shè)為10KN/mm 較為合適。

網(wǎng)架桿件采用常規(guī)截面尺寸Φ60x3.5、Φ75.5x3.75、Φ88.5x4、Φ114x4、Φ140x4等，關(guān)鍵桿件應(yīng)力比控制0.8，一般桿件0.85，球節(jié)點(diǎn)0.8，桿件凈截面系數(shù)0.9，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），一般桿件長細(xì)比按180，關(guān)鍵桿件取120，軟件自動(dòng)優(yōu)選截面，撓度控制1/250，多次調(diào)整迭代計(jì)算后周期如表1，第一振型為豎向振動(dòng)，第二三振型為平動(dòng)。

表1

4.2 球節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于中大型網(wǎng)架，螺栓球節(jié)點(diǎn)一般難以滿足，本項(xiàng)目全部采用焊接球節(jié)點(diǎn)，最小焊接球?yàn)閃S1806，最大為WSR8035，材質(zhì)為Q355B，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)完成后尚需要驗(yàn)算實(shí)際球節(jié)點(diǎn)重量占比是否滿足當(dāng)初假設(shè)的30%要求，若不滿足需修改數(shù)值重新設(shè)計(jì)。

4.3 支座設(shè)計(jì)

圖4 典型支座節(jié)點(diǎn)詳圖

本項(xiàng)目采用成品支座，將支座的水平豎向承載力、剛度、位移量提供給廠家，廠家按要求生產(chǎn)，前期可參考廠家的產(chǎn)品手冊(cè)預(yù)估支座大小，支座設(shè)計(jì)應(yīng)考慮支座水平位移量，本項(xiàng)目按設(shè)防震地震預(yù)留位移量，可簡單按多遇地震位移的3 倍考慮，歸并后的支座參數(shù)如表2：

表2

支座底板設(shè)計(jì)可參考柱腳的相關(guān)計(jì)算，底板厚度按照《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)手冊(cè)》（第三版）公式：

圓管加十字節(jié)點(diǎn)板規(guī)范尚無計(jì)算公式，《空間結(jié)構(gòu)》指出十字節(jié)點(diǎn)板一般不受強(qiáng)度控制，但十字節(jié)點(diǎn)板的自由邊可能會(huì)在底板向上的反力作用下屈曲，可按書中的構(gòu)造要求復(fù)核十字板的寬厚比：

出于對(duì)項(xiàng)目安全性的考慮，取典型支座2 進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，假定支座處于彈性狀態(tài)，材料本構(gòu)關(guān)系按線性考慮，不考慮塑性發(fā)展，計(jì)算得出剪應(yīng)力較小，正應(yīng)力起控制作用，采用材料力學(xué)公式：

圖5 支座節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型分析

由應(yīng)力云圖可知，應(yīng)力較大一肢平均應(yīng)力為163MPa，與材料力學(xué)公式計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，底部邊緣最大應(yīng)力為340MPa，但未超鋼材屈服強(qiáng)度，且施加的節(jié)點(diǎn)力是各工況組設(shè)計(jì)值的包絡(luò)結(jié)果，會(huì)比實(shí)際受力偏大，因此安全性是有保證的，對(duì)于其他幾個(gè)支座采取類似方法復(fù)核，均得到相似的計(jì)算結(jié)果，由此可得出結(jié)論：受力較大的網(wǎng)架支座應(yīng)重視計(jì)算復(fù)核，不能僅通過構(gòu)造措施保證，在未進(jìn)行實(shí)體有限元復(fù)核前采用材料力學(xué)公式計(jì)算應(yīng)力是可行的。

成品支座部分，應(yīng)對(duì)廠家的支座圖紙和計(jì)算書進(jìn)行審核，主要包括：支座頂部鋼板尺寸是否滿足十字板的安裝要求，底部鋼板面積是否滿足混凝土柱局部承壓要求，且需要廠家確認(rèn)支座剛度及預(yù)留位移量滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際生產(chǎn)后的成品支座如圖6、7所示：

圖6 成品支座

圖7 支座彈簧

結(jié)語：

（1）網(wǎng)架垂直邊，改變邊跨的桿件布置方式可以使桿件夾角滿足規(guī)范要求；

（2）異形網(wǎng)架陰角處壓力很大，角部存在拉力，可以釋放部分拉力支座使得支座反力均勻；

（3）若網(wǎng)架在考慮地震或溫度作用支座水平反力很大，可以選擇合適剛度的彈性支座釋放水平力，此時(shí)支座設(shè)計(jì)要考慮水平位移量；

（4）由于現(xiàn)在網(wǎng)架尺寸越來越大，復(fù)雜程度越來越高，若按以往的通過構(gòu)造保證十字板強(qiáng)度穩(wěn)定可能已不太適用，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核，有條件的尚宜進(jìn)行實(shí)體有限元分析，當(dāng)然這都只是理論階段，更為準(zhǔn)確的結(jié)果還需要進(jìn)行試驗(yàn)，但作為工程實(shí)際應(yīng)用，按材料力學(xué)公式計(jì)算是切實(shí)可行的。