基于3D3S大通縣某煤棚網(wǎng)架結(jié)構設計驗算

陳國軍 毛少霞 張雪云

（甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

隨著社會的不斷發(fā)展變革，人們對于建筑設計施工的追求要求更加完美，希望施工方便快捷，建筑結(jié)構美觀、空間大、節(jié)能環(huán)保可持續(xù)等。為此，空間網(wǎng)格結(jié)構應運而生，空間網(wǎng)格結(jié)構幾乎滿足了人們對大跨度、施工快捷方便、效率高等一系列要求。網(wǎng)架結(jié)構實際工程應用越來越廣泛，例如會堂、影劇院、展覽館、車站、碼頭、候機大廳等公共建筑[1-2]。相關學者[3-6]對于網(wǎng)架結(jié)構的研究已然成為熱點。對于網(wǎng)架結(jié)構的設計計算，普遍采用的方法為有限元數(shù)值計算法，如ANSYS、MST、3D3S等[7-10]。通過對建筑物空間網(wǎng)架結(jié)構進行有限元建模，對所構建的網(wǎng)架結(jié)構有限元模型支承性能進行分析[11-13]，驗算結(jié)構受力的合理性，優(yōu)化結(jié)構桿件截面，選擇最優(yōu)用鋼量。

1 工程概況

擬建煤棚場地位于青海省西寧市大通縣朔北鄉(xiāng)下吉哇村原705 廠內(nèi)，交通便利，汽車可直達場地。擬建場地地貌單元屬山前斜坡地帶，場地開闊，地形起伏變化大，地勢北高南低、西高東低?？卓诘孛娓叱?501.90m~2521.87m，相對高差為19.97m。建筑高度13.8m，建筑平面尺寸89.3m×53m，總建筑面積4543.9m2。總平面布置如圖1所示。

圖1 總平面布置圖

根據(jù)《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》（GB 55002-2021）及《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011－2010），擬建場地抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組屬第三組，建筑場地類別為Ⅱ類，設計特征周期值為0.45s，水平地震影響系數(shù)最大值0.08。

根據(jù)場地踏勘、場地勘探及周邊建筑經(jīng)驗，場地地基土主要由第四系：①1層雜填土（Q4ml）、①2層素填土（Q4ml）、②層黃土狀土（Q4dl+pl）、③層卵石（Q4dl+pl）、④層飽和黃土（Q4dl+pl）、⑤層淤泥質(zhì)土（Q4dl+pl）、⑥層卵石（Q4al+pl）、⑦層粉土（飽和）（Q4al+pl）、⑧第三系層強風化砂礫巖和⑨層中風化砂礫巖組成，其巖性特征描述如表1所示。

表1 土層名稱及特征

2 3D3S計算分析

3D3S軟件在鋼結(jié)構和空間結(jié)構設計領域具有獨創(chuàng)性，填補了國內(nèi)該類結(jié)構工具軟件的一個空白，是基于桿系和膜板殼單元的三維結(jié)構有限元分析軟件。3D3S的桿系單元包括桿單元、梁柱單元和索單元。3D3S 將樓板、剪力墻和膜等簡化為三維面單元，包括三角形殼元、四邊形殼元和三角形膜元。

空間網(wǎng)格結(jié)構是空間結(jié)構的一種，也是我國空間結(jié)構中發(fā)展最快、應用最廣的結(jié)構形式。它是將桿件按一定規(guī)律布置，通過節(jié)點連接而成的一種空間桿系結(jié)構，包括組合網(wǎng)格結(jié)構（含組合網(wǎng)架和組合網(wǎng)殼結(jié)構）、立體桁架（拱架）、張弦立體拱架等形式。網(wǎng)架為按一定規(guī)律布置的桿件通過節(jié)點連接而形成的平板型或微曲面型空間桿系結(jié)構，主要承受整體彎曲內(nèi)力，網(wǎng)架結(jié)構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)架結(jié)構圖示

2.1 網(wǎng)架結(jié)構建模

應用3D3S 2020進行該煤棚網(wǎng)架結(jié)構建模，選用網(wǎng)架網(wǎng)殼模塊里面的網(wǎng)架網(wǎng)殼進行建筑結(jié)構建模。網(wǎng)格形式采用四邊網(wǎng)格技術，根據(jù)煤棚尺寸建立網(wǎng)架模型，如圖3所示。支座形式選用彈性約束，根據(jù)懸臂柱剛度導入。按照屋面排水要求，采用雙面排水方式，起坡5.0%。荷載施加，上弦恒載0.6、活載0.5、風載0.4、下弦活載0.3 進行荷載組合，荷載分配至節(jié)點如圖4 所示。本模型共生成節(jié)點總數(shù)595個，單元總數(shù)2240個，最大桿長（單元1675）5.223m，最小桿長（單元861）3.750m，桿件材性Q355B，總用鋼量101138kg。

圖3 煤棚網(wǎng)架結(jié)構建模

圖4 荷載分配節(jié)點圖

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 振型分析

地震力計算方法采用振型分解法，其前9階振型變化如表2所示。其中，一、二、九振型如圖5所示。結(jié)構振型大致可以分為水平振型和豎向振型兩大類，網(wǎng)架作為空間網(wǎng)格結(jié)構以豎向振型為主。從振型圖可以看出，各振型頻譜比較密集，且可能存在重根現(xiàn)象，周期與邊界條件相關。上、下弦桿豎向地震內(nèi)力分布規(guī)律為邊緣小中間大，腹桿地震內(nèi)力分布比較復雜。

表2 各振型周期結(jié)果

圖5 典型振型圖

2.2.2 軸力分析

根據(jù)計算得出，在不同荷載組合情況下單元996及998 軸力最大值為1076.6kN，單元447 與448 軸力最小值為-1032.3kN。網(wǎng)架結(jié)構主要以桿件受壓為主，從圖6可以看出，此網(wǎng)架軸力最大最小構件皆位于整個網(wǎng)架的中部位置，這與網(wǎng)架結(jié)構的跨度大小息息相關，當網(wǎng)架跨度過大時，中部位置受力較大，四周支撐約束減弱。因此，加強中部構件桿件的材性及截面大小對于提升整體網(wǎng)架穩(wěn)定性具有重要意義。

圖6 軸力構件顯示圖

2.2.3 位移分析

網(wǎng)架結(jié)構位移包括水平位移和豎向位移兩類，本模型重點研究其豎向位移，即撓度。由最大正、負位移圖（圖7）可知，四周邊緣支座因約束作用位移最小，幾近于0mm，隨著邊緣向網(wǎng)架結(jié)構中心的變化，位移逐漸增大，至中部位置位移最大，為119.6mm 和136.9mm。位移越大，對結(jié)構安全性及穩(wěn)定性越不利，因此，有必要限制整體位移的大小。

圖7 網(wǎng)架位移圖

2.2.4 應力分析

根據(jù)計算分析模型進行規(guī)范檢驗，檢驗結(jié)果表明，結(jié)構能夠滿足承載力計算要求，應力比最大值為1.00。圖8為模型總體應力比分布圖，圖9為桿件應力比分布圖。由應力比分布圖可知，各桿件應力分布均勻合理，即桿件受力符合設計要求。

圖8 桿件應力分布圖

圖9 桿件應力比分布圖

3 結(jié)語

應用鋼結(jié)構網(wǎng)架網(wǎng)殼分析軟件3D3S 對大通縣某煤棚網(wǎng)架結(jié)構模型進行有限元數(shù)值計算分析，以本模型相關工程條件據(jù)此得出以下結(jié)論：

（1）在地震作用下，地震內(nèi)力分布規(guī)律為邊緣小跨中大，網(wǎng)架的前三階周期為T1=0.5505s，T2=0.4978s，T3=0.4950s。

（2）在各種荷載組合情況下，網(wǎng)架結(jié)構最大位移為136.9mm，小于短跨的1/250，滿足剛度設計要求。

（3）桿件截面形式采用圓管截面，選用Q355B類鋼材滿足強度、穩(wěn)定性、抗剪、圓管徑厚比等基本要求。

（4）在不同荷載組合情況下，軸力最大值為1076.6kN，中部位置軸力最大，四周軸力小。該網(wǎng)架結(jié)構用鋼量為23.73kg/㎡。