大跨度短撐桿式張弦桁架與網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)形式研究

肖旺輝 （中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064）

1 概 述

大跨度短撐桿式張弦桁架與雙曲柱狀網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)是一種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)。將張弦桁架與網(wǎng)殼結(jié)合使用，通過設(shè)置張弦桁架將網(wǎng)殼的跨度由小到中小跨度范圍為25m～40m，該大跨度新結(jié)構(gòu)體系既降低了屋蓋系統(tǒng)的用鋼量，又解決了張弦桁架平面外的支撐問題，從而使屋蓋系統(tǒng)由擬梁結(jié)構(gòu)單純的圍護(hù)到集圍護(hù)結(jié)構(gòu)與承重結(jié)構(gòu)一體，并可做到應(yīng)用單層網(wǎng)殼、局部單雙層網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼和弦支網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)。

目前對(duì)該結(jié)構(gòu)體系的研究較少，對(duì)該新結(jié)構(gòu)體系的研究和設(shè)計(jì)而言，做相關(guān)的研究是有必要的。本文詳細(xì)介紹該新結(jié)構(gòu)體系的分類并采用有限元分析方法，為這種結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用提供參考。

2 大跨度短撐桿式張弦桁架與單層雙曲柱狀網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)的靜力分析

圖1 短撐桿式張弦桁架與單層雙曲柱狀網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)立面圖

2.1 計(jì)算模型

某建筑要求屋蓋為120m×120m，短撐桿式張弦桁架跨度為L(zhǎng)1=120m,桁架上弦寬度為4m，矢高為5m，垂度為3m，預(yù)應(yīng)力鋼索垂度為5m，共采用5榀短撐桿式張弦桁架。單層雙曲柱狀網(wǎng)殼采用單向斜桿正交正放網(wǎng)格，單層網(wǎng)殼跨度L=26m，矢高5.2m。

2.2 計(jì)算分析參數(shù)

單層網(wǎng)殼桿件和短撐桿式張弦邊桁架桿件都采用MSTCAD進(jìn)行滿應(yīng)力計(jì)算分析并配桿導(dǎo)入ANSYS10.0計(jì)算分析。鋼材的彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85t/m3。預(yù)應(yīng)力鋼索采用1670級(jí)高強(qiáng)鋼絲索，規(guī)格為PESC5-409，外包雙層PE。拉索的彈性模量為2.0×105N/mm2，泊松比為0.3，密度7.8 t/m3。鋼索的面積為0.01123m2，算例鋼索初始預(yù)應(yīng)力為4492kN，即初始應(yīng)變?yōu)?.002。屋面恒荷載為0.4kN/m2，機(jī)電管線和吊頂0.1kN/m2；屋面活荷載為0.3 kN/m2。荷載工況組合：1.2恒＋1.4活+1.2自重+1.0預(yù)應(yīng)力。

通過ANSYS10.0有限元軟件分析可知：桁架跨中撓度最大為282mm，最大撓跨比1/425；網(wǎng)殼頂點(diǎn)（網(wǎng)殼頂點(diǎn)的豎向位移值是相對(duì)桁架的位移值，屋蓋結(jié)構(gòu)變形向下為正，向上為負(fù)）變形為36mm，最大撓跨比1/425；中間桁架滑動(dòng)支座位移18m。都滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003)和《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ7-2010)桁架最大撓度容許值為跨度的1/250的規(guī)定。結(jié)構(gòu)體系安全儲(chǔ)備大,桁架滑動(dòng)支座的位移Y軸正向18mm，結(jié)構(gòu)施工時(shí)支座應(yīng)該注意預(yù)留空間，同時(shí)查看有無加荷載和上述工況下的張弦桁架桿件受力情況。整體結(jié)構(gòu)在外荷載作用下，桁架上弦桿、腹桿、撐桿的軸壓力明顯增加；下弦桿由原來受壓變?yōu)槭芾?，說明外荷載的改變會(huì)引起下弦桿件的受力變化；鋼索的軸拉力變大是由于結(jié)構(gòu)外荷載增，結(jié)構(gòu)的豎向撓度變大引起被動(dòng)預(yù)應(yīng)力增加。網(wǎng)殼桿件的最大拉力和最大壓力都增大，是由于外荷載較大引起的。

圖2 荷載工況下的Z向撓度云圖

3 結(jié) 論

本文提出的大跨度短撐桿式張弦桁架與雙曲柱狀網(wǎng)殼組合結(jié)構(gòu)是一種新型的雜交大跨度空間結(jié)構(gòu)體系，可做到應(yīng)用單層網(wǎng)殼、局部單雙層網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼和弦支網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)。通過有限元分析，該新型雜交大跨度空間結(jié)構(gòu)體系的安全儲(chǔ)備大，受力合理，并降低了屋蓋系統(tǒng)的用鋼量。