廣州金融城交通樞紐復(fù)雜曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)*

張 帆，羅赤宇，王金鋒，李 揚(yáng)，向 前，樂(lè)李輝，蘇 瑜，吳一非

(1 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510010；2 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 武漢 430068)

0 引言

單層復(fù)雜網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系是標(biāo)志性建筑常用的結(jié)構(gòu)體系之一，但由于其設(shè)計(jì)施工技術(shù)難度極大，許多優(yōu)秀的建筑方案都難以實(shí)施。研究[1-4]表明，通過(guò)分析與實(shí)踐深入探索曲面網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)受力性能具有十分重要的工程意義。本文重點(diǎn)探討金融城交通樞紐項(xiàng)目單層曲面網(wǎng)殼設(shè)計(jì)中的風(fēng)荷載作用分析、防火設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定性分析關(guān)鍵問(wèn)題：

(1)項(xiàng)目鄰近珠江，為風(fēng)敏感的大跨度鋼結(jié)構(gòu)。建設(shè)時(shí)周邊地塊仍處于規(guī)劃或建設(shè)階段，尤其是本區(qū)域超高層建筑的規(guī)劃，對(duì)本項(xiàng)目的風(fēng)環(huán)境存在較大的影響。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)周邊風(fēng)環(huán)境展開(kāi)了專(zhuān)項(xiàng)研究，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)評(píng)估風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑的影響。風(fēng)環(huán)境分析在設(shè)計(jì)中往往容易忽視，本文結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)介紹項(xiàng)目的風(fēng)荷載作用分析。

(2)升溫曲線是防火設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范給出了常見(jiàn)建筑的室內(nèi)空間火災(zāi)升溫曲線，但并未給出大空間火災(zāi)的升溫曲線，針對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)大空間火災(zāi)升溫曲線研究較少的現(xiàn)狀，本文結(jié)合美國(guó)規(guī)范及火場(chǎng)分析，提出一套大空間防火設(shè)計(jì)的解決方案。

(3)整體穩(wěn)定性分析是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用建筑方案已有條件，結(jié)合建筑造型需求，通過(guò)合理化結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，最終獲得穩(wěn)定性良好的結(jié)構(gòu)方案。

1 工程概況

金融城交通樞紐項(xiàng)目為廣州金融城地區(qū)重要節(jié)點(diǎn)建筑之一，其集區(qū)域冷站、城際軌道交通站點(diǎn)、值機(jī)大廳、公交站場(chǎng)等綜合樞紐用途于一體，地下5層、地上4層。主體結(jié)構(gòu)不分縫，下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。上部單層曲面網(wǎng)殼鋼屋蓋通過(guò)立體桁架、邊緣桿件及屋面支撐與下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相連(圖1)。鋼屋蓋中兩個(gè)落腳支承位于二層樓面，四個(gè)落腳支承位于首層樓面。結(jié)合考慮建筑效果，在屋面設(shè)置樹(shù)形支撐，以減小網(wǎng)殼跨度。各落腳支承與混凝土結(jié)構(gòu)連接關(guān)系如圖2所示。

網(wǎng)殼鋼屋蓋基本尺寸及網(wǎng)格形式如圖3所示。單層網(wǎng)殼采用矩形管作為主要貫通桿件，大多數(shù)桿件截面尺寸為380×150×8；與矩形管斜交的桿件采用圓管，大多數(shù)桿件截面尺寸為φ273×8，材料主要為Q345B。

2 風(fēng)荷載作用分析

本工程單層網(wǎng)殼鋼屋蓋屬于體型復(fù)雜的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，最大跨度達(dá)82m，考慮廣州地區(qū)為臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)尤為重要。

2.1 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：1)復(fù)雜曲面體型的風(fēng)荷載取值，該項(xiàng)目體型并不是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]已有常規(guī)體型，根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定風(fēng)荷載體型系數(shù)；2)大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行風(fēng)荷載作用分析時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；3)考慮周邊環(huán)境因素影響，由于金融城地區(qū)正在開(kāi)發(fā)，周邊建筑物部分仍在規(guī)劃階段，設(shè)計(jì)中須考慮規(guī)劃建筑對(duì)本項(xiàng)目的影響[6-7]。

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)與風(fēng)環(huán)境分析

抗風(fēng)設(shè)計(jì)中采取以下措施確保鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下安全可靠：

(1)風(fēng)荷載計(jì)算參數(shù)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定，考慮大跨度單層曲面網(wǎng)殼鋼屋蓋為風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓取值適當(dāng)提高，最終取值0.55kN/m2。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得鋼結(jié)構(gòu)屋面的極值風(fēng)壓分布，基于同步測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算，獲得可供結(jié)構(gòu)分析使用的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)等效靜力風(fēng)荷載。根據(jù)同步測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)和快速CQC方法，選取X、Y、Z向位移最大的節(jié)點(diǎn)作為等效目標(biāo)，得到各節(jié)點(diǎn)的等效靜力風(fēng)荷載。由于等效靜力風(fēng)荷載已經(jīng)考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，可作為設(shè)計(jì)荷載使用。

(2)根據(jù)規(guī)劃條件，項(xiàng)目主塔樓南側(cè)規(guī)劃有一幢450m高的塔樓，同時(shí)周邊場(chǎng)地尚在開(kāi)發(fā)，最終建成后周邊的情況尚未可知。為此，設(shè)計(jì)過(guò)程提出，風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)規(guī)劃條件，針對(duì)無(wú)周邊建筑、有周邊建筑時(shí)考慮有、無(wú)450m高樓共三種情況，采用同步多點(diǎn)壓力掃描系統(tǒng)以10o為間隔測(cè)出36個(gè)風(fēng)向角下建筑物表面的風(fēng)壓時(shí)程，根據(jù)時(shí)程統(tǒng)計(jì)分析確定建筑物表面的極值風(fēng)壓分布。

比較三種情況試驗(yàn)所得前10個(gè)最大風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)參數(shù)，如表1所示。由表1可知：1)三種情況所測(cè)得風(fēng)壓值有明顯的區(qū)別，局部測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓相差達(dá)到30%，風(fēng)環(huán)境的變化對(duì)本項(xiàng)目計(jì)算風(fēng)壓有顯著的影響；2)周邊建筑中影響最大的建筑物為南側(cè)450m的超高層建筑，施擾建筑對(duì)北立面峰值風(fēng)壓主要呈放大效應(yīng)，試驗(yàn)過(guò)程中還嘗試對(duì)超高層建筑不同體系進(jìn)行了研究比較，結(jié)果表明施擾建筑與本項(xiàng)目主體建筑間的寬度比越大、高度比越大，放大效應(yīng)越明顯；3)有周邊建筑有450m高樓情況下體型系數(shù)最高負(fù)壓系數(shù)比有周邊建筑無(wú)450m高樓情況下提高約15%～30%。因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮周邊風(fēng)環(huán)境的不確定性，按最不利情況考慮風(fēng)壓體型系數(shù)。

2.3 計(jì)算分析

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，推薦了12個(gè)不同風(fēng)向角下的風(fēng)工況。風(fēng)荷載結(jié)果以節(jié)點(diǎn)等效靜力風(fēng)荷載的形式提供，網(wǎng)殼各節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載在0.1～6.3kN之間，按網(wǎng)殼網(wǎng)格面積折算，風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值在0.01～0.71kN/m2之間。

通過(guò)表2的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，有周邊建筑有450m高樓情況下網(wǎng)殼構(gòu)件最大應(yīng)力比明顯大于其余情況，根據(jù)各情況下風(fēng)荷載包絡(luò)取值展開(kāi)設(shè)計(jì)。篇幅所限，僅列出代表工況恒載+風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下鋼屋蓋變形情況，見(jiàn)圖5。由圖5可知，鋼屋蓋跨中最大變形為61.1mm，位于屋蓋北部懸挑區(qū)域，該位置跨度為18.6m，變形值為跨度的1/305，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[8]撓跨比小于1/200的要求。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)研究

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(GB 51249—2017)[9](簡(jiǎn)稱(chēng)防火規(guī)范)第3.2.1條“鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按結(jié)構(gòu)耐火承載力極限狀態(tài)進(jìn)行耐火驗(yàn)算與防火設(shè)計(jì)”。防火規(guī)范中的防火設(shè)計(jì)方法表明，升溫曲線的合理選擇是防火設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖6為防火規(guī)范給出的一般室內(nèi)火災(zāi)與大空間火災(zāi)的統(tǒng)計(jì)曲線，火災(zāi)升溫分為初期增長(zhǎng)階段、全盛階段和衰減階段。通過(guò)曲線比較可看出，大空間火災(zāi)的升溫曲線溫度遠(yuǎn)小于一般室內(nèi)火災(zāi)升溫曲線。對(duì)于一般室內(nèi)火災(zāi)，防火規(guī)范給出了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線，為設(shè)計(jì)提供了較大的便利和可操作性。但對(duì)于大空間火災(zāi)，由于受到火源功率、建筑形體、起火點(diǎn)位置等因素的不確定性限制，規(guī)范未給出大空間火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。防火規(guī)范明確指出：“當(dāng)能準(zhǔn)確確定建筑物火災(zāi)荷載、可燃物類(lèi)型及分布、幾何特征等參數(shù)時(shí)，火災(zāi)升溫曲線可按其他有可靠依據(jù)的火災(zāi)模型確定。”

項(xiàng)目曲面網(wǎng)殼屋架在建筑防火分區(qū)以外，耐火極限按1.5h設(shè)計(jì)，且屋面四周為開(kāi)敞空間，為加強(qiáng)煙氣疏散，在頂蓋幕墻部分區(qū)域設(shè)置開(kāi)啟扇(圖7)。比起一般小空間室內(nèi)火災(zāi)，此項(xiàng)目鋼屋蓋通風(fēng)良好，煙氣能夠更有效地排出，屬于大空間建筑類(lèi)型。一般室內(nèi)火災(zāi)的升溫情況顯然與本項(xiàng)目實(shí)際不同，采用防火規(guī)范的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)曲線)進(jìn)行設(shè)計(jì)將造成極大的材料浪費(fèi)，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)輕盈的建筑效果。因此，對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)研究分析，以獲得合理的火災(zāi)升溫曲線進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，并結(jié)合本項(xiàng)目情況，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線、實(shí)際火災(zāi)場(chǎng)景模擬升溫曲線的比較，提出合理選擇升溫曲線的建議。

3.1 根據(jù)防火規(guī)范方法設(shè)計(jì)

圖8為標(biāo)準(zhǔn)曲線防火驗(yàn)算應(yīng)力比云圖。由圖8可知，維持原設(shè)計(jì)方案桿件尺寸不變的情況下(非火災(zāi)工況)，在防火驗(yàn)算里(考慮了防火涂料的影響的情況下)，網(wǎng)殼多數(shù)桿件應(yīng)力比超過(guò)1.5，最大應(yīng)力比達(dá)到8.2，遠(yuǎn)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。為使網(wǎng)殼通過(guò)防火驗(yàn)算，主桿件矩形管需普遍增大至400×200×18，主圓管需普遍增大至φ280×16，局部則需采用更大截面或提高鋼材等級(jí)方能通過(guò)防火驗(yàn)算。顯然，按照防火規(guī)范算法難以滿足經(jīng)濟(jì)性和美觀性的要求。

3.2 結(jié)合火災(zāi)場(chǎng)景分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)本工程進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的火災(zāi)場(chǎng)景研究，運(yùn)用三維仿真模擬軟件FDS對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)建筑的溫度場(chǎng)和煙氣分布等進(jìn)行分析。由于火災(zāi)發(fā)生位置存在多樣性，而確定火災(zāi)發(fā)生的位置對(duì)建筑升溫影響重大，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，根據(jù)代表性、保守性、精煉性原則，分析時(shí)選取4種不利火災(zāi)場(chǎng)景(圖9)進(jìn)行模擬：1)火災(zāi)場(chǎng)景A：起火點(diǎn)設(shè)置在地下二層交通核內(nèi)，火災(zāi)類(lèi)型為公共場(chǎng)所火災(zāi)；2)火災(zāi)場(chǎng)景B：起火點(diǎn)設(shè)置在地下二層交通核一側(cè)的便民生活服務(wù)零售內(nèi)，火災(zāi)類(lèi)型為商店火災(zāi)；3)火災(zāi)場(chǎng)景C：起火點(diǎn)設(shè)置在一層咖啡廳內(nèi)，火災(zāi)類(lèi)型為商店火災(zāi)；4)火災(zāi)場(chǎng)景D：起火點(diǎn)設(shè)置在四層特色輕餐飲，火災(zāi)類(lèi)型為辦公室火災(zāi)。

各火災(zāi)場(chǎng)景下，建筑內(nèi)溫度發(fā)展和分布如圖10所示。由圖10可知，網(wǎng)殼升溫部位隨著起火點(diǎn)的不同而不同，各火災(zāi)場(chǎng)景下，網(wǎng)殼升溫較小，均在100℃以?xún)?nèi)，且離下部功能核心區(qū)越遠(yuǎn)，升溫越小，遠(yuǎn)離下部核心混凝土結(jié)構(gòu)的網(wǎng)殼升溫不超過(guò)50℃。

火場(chǎng)溫度分析表明，本項(xiàng)目網(wǎng)殼升溫發(fā)展和分布明顯低于防火規(guī)范所提供的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，根據(jù)火場(chǎng)分析重新確定升溫曲線十分必要。要確定計(jì)算升溫曲線，首先要了解升溫曲線確定的原則，美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[10]指出早期火災(zāi)的發(fā)展與時(shí)間的平方成正比關(guān)系，考慮可燃材料、火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)的不同劃分為慢速火、中速火、快速火、超快速火。根據(jù)本建筑物的可燃物性質(zhì)，可定義本建筑物的火災(zāi)為快速火或中速火，熱量釋放達(dá)到1 000kW所需時(shí)間約為150～300s。在熱量釋放達(dá)到峰值后，火災(zāi)的熱釋放速率達(dá)到最大，對(duì)后期衰減過(guò)程一般保守假設(shè)最大熱釋放速率保持不變(曲線斜率不變)。根據(jù)上述原則，本項(xiàng)目防火設(shè)計(jì)中提出，對(duì)于下部功能核心區(qū)(中筒區(qū)域考慮人流較為集中)，仍按防火規(guī)范一般室內(nèi)空間升溫曲線考慮。偏于安全考慮，上部遠(yuǎn)離核心區(qū)域網(wǎng)殼按火場(chǎng)模擬最大升溫曲線乘以2.0安全系數(shù)(即圖11中防火驗(yàn)算曲線)考慮。

圖12為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在所有防火驗(yàn)算荷載組合工況包絡(luò)下的桿件應(yīng)力比云圖。由圖12可見(jiàn)，在維持原設(shè)計(jì)方案桿件尺寸不變的情況下(非火災(zāi)工況)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋大部分桿件的應(yīng)力比處于0.2～0.7之間，網(wǎng)殼落地支座位置、屋面樹(shù)形支撐位置個(gè)別桿件應(yīng)力比在0.8～0.96之間，均小于1，表明網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件承載力滿足防火驗(yàn)算要求。不同升溫曲線下網(wǎng)殼用量最大桿件尺寸對(duì)比如表3所示。從表3可見(jiàn)，合理地確定火災(zāi)升溫曲線，與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線相比，通過(guò)防火驗(yàn)算所需的桿件尺寸大幅度減小。

表3 不同升溫曲線下網(wǎng)殼用量最大桿件截面對(duì)比

4 整體穩(wěn)定性分析

相關(guān)工程案例[11]表明，整體失穩(wěn)破壞是單層網(wǎng)殼常見(jiàn)的破壞形式之一。因此穩(wěn)定性分析是鋼結(jié)構(gòu)尤其是單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一環(huán)。整體穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)體系、支座條件、構(gòu)件布置等多個(gè)因素影響。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)在方案階段便開(kāi)始考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

4.1 結(jié)構(gòu)方案比選

在建筑方案確定階段，配合建筑師進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)找形設(shè)計(jì)，將對(duì)后期整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)和控制鋼材用量起到關(guān)鍵作用。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)方案比選及推演，最終設(shè)置了落地中筒，并確定了合理的拱體矢高，實(shí)現(xiàn)了建筑效果的同時(shí)獲得了良好的結(jié)構(gòu)體型。

結(jié)構(gòu)初始方案為主體網(wǎng)殼通過(guò)邊緣桁架+落地中筒形成殼體落地支承體系。此方案下的結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合1.0恒載+1.0活載作用下的第1階屈曲模態(tài)見(jiàn)圖13。由圖13可見(jiàn)，北側(cè)殼體跨度71.6m，此區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定性最薄弱的位置，該處殼體首先發(fā)生失穩(wěn)，且荷載系數(shù)僅為7.4，沒(méi)有足夠的安全儲(chǔ)備，須采取措施對(duì)整體穩(wěn)定性進(jìn)行加強(qiáng)。

整體穩(wěn)定性的優(yōu)化首先從落地的邊緣支承開(kāi)始，同時(shí)為了在不影響建筑造型的前提下獲得最佳方案效果，建筑希望周邊不采用邊緣桁架。經(jīng)比選分析發(fā)現(xiàn)，取消南北桁架對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算影響較大，而取消其余邊桁架對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定影響較??；北桁架內(nèi)收，由傾斜布置桁架變?yōu)橹绷⒉贾描旒?，使桁架布置在受力最薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定有很好的提高作用。調(diào)整邊緣構(gòu)件后，結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合1.0恒載+1.0活載作用下的第1階屈曲模態(tài)見(jiàn)圖14，荷載系數(shù)由7.4提高至8.75，建筑上用單管代替了邊緣桁架，外形上也更為輕薄、美觀。因此，結(jié)構(gòu)方案上保留南側(cè)大跨度桁架，北側(cè)桁架內(nèi)收，其余位置將桁架調(diào)整為單管形成周邊支承體系。通過(guò)此階段優(yōu)化，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有了一定程度的提高，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，北側(cè)大跨度區(qū)域依然為整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié)，荷載系數(shù)提高的幅度依然有限，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

考慮結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)在中部區(qū)域，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案充分利用中部混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置空間網(wǎng)殼落腳支點(diǎn)。空中花園處采用樹(shù)形支承結(jié)合向心關(guān)節(jié)軸承對(duì)單層網(wǎng)殼形成有效支承。方案優(yōu)化后結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合1.0恒載+1.0活載作用下的第1階屈曲模態(tài)見(jiàn)圖15。通過(guò)分析可知，樹(shù)形支承的設(shè)置大幅提高了主體網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性，荷載系數(shù)由8.75提高至15.9，失穩(wěn)位置轉(zhuǎn)移至東南角區(qū)域?？梢?jiàn)，樹(shù)形支承的設(shè)置對(duì)網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用，使結(jié)構(gòu)安全性有了明顯的提高。

綜上所述，方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)整體穩(wěn)定薄弱環(huán)節(jié)后經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化，在不增加鋼材用量的前提下，主體網(wǎng)殼的荷載系數(shù)由7.4提高至15.9，從而獲得良好的結(jié)構(gòu)體型和合理的支承體系，為后期的線性屈曲分析和非線性屈曲分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

4.2.1 線性屈曲分析

雖然特征值屈曲分析難以準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力，但是該方法概念清楚、計(jì)算簡(jiǎn)便，有利于初步了解結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的薄弱部位，分析得到的屈曲模態(tài)也常作為初始幾何缺陷的分布形式引入下一步的非線性穩(wěn)定分析。因此在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)非線性分析之前，有必要進(jìn)行線性特征值屈曲分析。

選取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合1.0恒載+1.0活載、1.0恒載+1.0風(fēng)荷載(W+)和1.0恒載+1.0風(fēng)荷載(W-)工況分別進(jìn)行線性屈曲分析，篇幅所限，僅列出1.0恒載+1.0活載作用下結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)，如圖15所示。對(duì)比各工況下的屈曲模態(tài)可知，最低階屈曲模態(tài)失穩(wěn)位置主要位于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)東南部區(qū)域，此處為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋薄弱位置，荷載系數(shù)為15.9。

4.2.2 非線性屈曲分析

非線性屈曲分析同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型。將結(jié)構(gòu)第1階屈曲模態(tài)作為初始缺陷，缺陷最大值根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)按網(wǎng)殼跨度的1/300，即124mm取值。

經(jīng)計(jì)算分析，1.0恒載+1.0活載(工況1)、1.0恒載+1.0風(fēng)荷載(W+)(工況2)和1.0恒載+1.0風(fēng)荷載(W-)(工況3)作用下荷載-位移曲線見(jiàn)圖16。由圖16可知，計(jì)算所得曲線均較為平滑，且有明顯的下降段，為理想的曲線形態(tài)。三種工況下網(wǎng)殼荷載比例系數(shù)分別為5.93、5.92、10.3，可見(jiàn)網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性良好。各工況下結(jié)構(gòu)最先發(fā)生失穩(wěn)的位置如圖17所示。工況1和工況2作用下網(wǎng)殼失穩(wěn)均發(fā)生在東南角，且該區(qū)域失穩(wěn)時(shí)的變形明顯大于其他區(qū)域。由于該處建筑的外觀要求較高，邊緣支承只能設(shè)置單管，不能設(shè)置桁架，且樹(shù)狀支承的位置受混凝土結(jié)構(gòu)位置的限制離拱體最大跨度(約37m)區(qū)域有約20m距離，無(wú)法形成較強(qiáng)的支承。因此，此處為網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性的最薄弱環(huán)節(jié)，最早發(fā)生失穩(wěn)。工況3作用下，失穩(wěn)時(shí)殼體變形較為均勻，在該工況下殼體沒(méi)有明顯的薄弱環(huán)節(jié)。從整體來(lái)看，三種工況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限承載力安全系數(shù)均大于2.0，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

結(jié)合廣州金融城交通樞紐項(xiàng)目，對(duì)單層復(fù)雜曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的風(fēng)荷載作用、防火設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定性關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論分析，得出如下結(jié)論：

(1)單層復(fù)雜曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)屋面的極值風(fēng)壓分布，并基于同步測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算，最終獲得可供結(jié)構(gòu)分析使用的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)等效靜力風(fēng)荷載。試驗(yàn)表明，周邊建筑的分布尤其是南側(cè)超高層建筑的干擾放大效應(yīng)不能忽略，最大風(fēng)荷載體型系數(shù)需提高15%～30%。超高層建筑與本項(xiàng)目主體建筑的高度比及寬度比對(duì)本項(xiàng)目建筑風(fēng)壓均造成影響，且寬度比越大、高度比越大，造成的影響越明顯。對(duì)于風(fēng)敏感建筑，尤其是風(fēng)荷載起控制作用的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，有必要在設(shè)計(jì)中對(duì)周邊建筑影響進(jìn)行研究、評(píng)判。同時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮足夠的安全儲(chǔ)備。

(2)火災(zāi)升溫曲線的合理選擇是防火設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在火災(zāi)場(chǎng)景較為復(fù)雜的工程項(xiàng)目中，若不通過(guò)細(xì)致的場(chǎng)景分析選用合理的升溫曲線，很容易造成材料的浪費(fèi)，甚至導(dǎo)致優(yōu)秀的建筑方案無(wú)法實(shí)施。建議對(duì)大空間開(kāi)展火災(zāi)場(chǎng)景分析，同時(shí)可分區(qū)域確定火災(zāi)升溫曲線。本項(xiàng)目經(jīng)精細(xì)化火場(chǎng)分析，大大節(jié)省了鋼材用量，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)滿足了建筑美觀性的要求。

(3)整體穩(wěn)定性分析時(shí)可通過(guò)線性屈曲分析初步了解結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的薄弱部位，通過(guò)不斷地補(bǔ)強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。本項(xiàng)目通過(guò)細(xì)致的方案比選，合理設(shè)置邊緣桁架及充分利用下部混凝土結(jié)構(gòu)支承，大幅度提高了網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性能，線性屈曲分析中的荷載系數(shù)由7.4提高至15.9，在滿足建筑美觀要求的同時(shí)使鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼具有良好的整體穩(wěn)定性。