某單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙建偉

(太原通勝路橋建設(shè)開發(fā)有限公司，山西太原 030024)

1 工程概況

本工程為某煤棚一屋蓋，下部支撐結(jié)構(gòu)為混凝土框架，考慮到造型的美觀和功能要求，應(yīng)建筑要求，屋蓋用如圖1所示球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)采用單層凱威特型球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，是在肋環(huán)型的基礎(chǔ)上加斜桿而組成的，它大大提高了網(wǎng)殼的剛度，提高了抵抗非對(duì)稱性荷載的能力。構(gòu)件數(shù)量比肋環(huán)型多，但整體剛度好，適用于中等及以上跨度。屋蓋跨度30 m，矢跨比為1/6。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

該工程為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，下部支撐結(jié)構(gòu)為混凝土框架，本文僅以上部網(wǎng)架三維建模進(jìn)行計(jì)算(見圖2)。結(jié)構(gòu)采用周邊支撐，X，Y，Z三向剛性約束。結(jié)構(gòu)鋼材采用Q235B級(jí)鋼，桿件全部采用熱軋無(wú)縫鋼管，焊接空心球采用加肋和不加肋兩種形式，共有456根桿件，網(wǎng)架自重為17.8 kg/m2。

3 使用程序和計(jì)算依據(jù)

本論文采用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S建模計(jì)算，用鋼結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000進(jìn)行動(dòng)力分析，設(shè)計(jì)時(shí)參照建筑效果圖以及結(jié)構(gòu)的下部施工圖，荷載取值時(shí)參照GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)參照GB 50017-2001鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及JGJ 7-91網(wǎng)架規(guī)范。

4 荷載取值

根據(jù)本項(xiàng)目的建筑設(shè)計(jì)及場(chǎng)地情況，確定荷載取值為:上弦靜載為 0.5 kN/m2，下弦靜載(吊頂荷載)為 0.5 kN/m2，屋面活荷載為0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，50年一遇的基本雪壓為0.25 kN/m2，在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，荷載通過面荷載雙向?qū)Ш芍辽舷覘U件。

依據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，綜合考慮太原地區(qū)的抗震設(shè)防烈度8度，地震分組為第一組，基本地震加速度值0.20g。計(jì)算時(shí)建筑場(chǎng)地類別采用Ⅲ類，水平地震影響系數(shù)最大值取 0.16(αmax=0.16)，特征周期值取 0.45 s(Tg=0.45 s)，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02(ζ=0.02)。

整個(gè)計(jì)算過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期取50年，并綜合考慮水平方向和豎直方向的地震作用的影響。

結(jié)構(gòu)采用抗震設(shè)計(jì)，內(nèi)力設(shè)計(jì)值根據(jù)荷載及荷載效應(yīng)組合來(lái)進(jìn)行計(jì)算，參照的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。

5 計(jì)算結(jié)果分析

用SAP2000軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性計(jì)算，并用ANSYS大型通用有限元軟件進(jìn)行校核，第一步是對(duì)結(jié)構(gòu)的前面九個(gè)模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，第二步是對(duì)地震力計(jì)算(采用振型分解反應(yīng)譜法)，第三步是在地震力及其他荷載組合的情況下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力計(jì)算，然后對(duì)構(gòu)件截面的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，同時(shí)也對(duì)構(gòu)件截面的穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算。

1)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的分析結(jié)果。

表1 結(jié)構(gòu)自振頻率

對(duì)該單層凱威特型球面網(wǎng)殼進(jìn)行動(dòng)力特性的模態(tài)分析，表1顯示了結(jié)構(gòu)前9階振型的自振周期結(jié)果及振動(dòng)形式，圖3～圖6是前4階的振型圖。

仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)振型圖和自振頻率可以得出，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的頻譜密集度比較大，并且出現(xiàn)部分頻率很接近，有些頻率也出現(xiàn)相等的現(xiàn)象。

造成這種結(jié)構(gòu)的原因是因?yàn)檫x用的計(jì)算模型有著數(shù)個(gè)對(duì)稱軸，前幾階振型往往是反對(duì)稱振型，從振型圖可知，結(jié)構(gòu)的前4個(gè)振型都是周邊環(huán)向桿件的局部振動(dòng)。這是由于結(jié)構(gòu)所選網(wǎng)格形式?jīng)Q定，在地震作用下，主肋的動(dòng)內(nèi)力小而環(huán)向桿和斜向桿的動(dòng)內(nèi)力較大。

由表1我們知道結(jié)構(gòu)第一振型周期為0.397 42 s，這說明結(jié)構(gòu)的剛度較大，同時(shí)無(wú)扭轉(zhuǎn)振型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求。

2)結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算。

結(jié)構(gòu)在靜力計(jì)算時(shí)，主要考慮計(jì)算結(jié)構(gòu)在各種荷載的作用下桿件的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)的位移，并同時(shí)考慮了地震力的作用與溫度荷載，在考慮所有的荷載組合下，計(jì)算出球面殼體結(jié)構(gòu)在最不利組合的情況下，受力桿件最大內(nèi)力值和受力桿件結(jié)構(gòu)最大位移值，結(jié)構(gòu)單元最大應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果如表2所示，各組合工況下結(jié)構(gòu)最大位移值計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 “強(qiáng)度應(yīng)力比”最大的前10個(gè)單元的驗(yàn)算結(jié)果

表3 球面殼體結(jié)構(gòu)的最大位移值 mm

由上述最大應(yīng)力比表和位移表可知，在各組合工況下，本球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)水平最大值能達(dá)到正常使用的要求，豎向位移的最大值滿足使用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

由以上計(jì)算結(jié)果表明:從動(dòng)力特性及靜力計(jì)算的數(shù)值上可以推出本建筑結(jié)構(gòu)所有桿的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，各個(gè)桿的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)整體剛度均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)也完全滿足使用要求。故得出的結(jié)論為:本球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，能夠滿足設(shè)計(jì)和使用的要求，同時(shí)施工上也可行。