網(wǎng)架屋面與下部鋼框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算方法

汪勇

博亞（福建）建筑設(shè)計(jì)有限公司（361000）

網(wǎng)架屋面與下部鋼框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算方法

汪勇

博亞（福建）建筑設(shè)計(jì)有限公司（361000）

大跨度網(wǎng)架的應(yīng)用越來越廣泛，獨(dú)立的簡(jiǎn)化計(jì)算模型與邊界條件的假定已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)的要求，需要結(jié)合空間軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，因此，這里論述了網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)與下部鋼框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的重要性及實(shí)際計(jì)算方法。

網(wǎng)架屋面；下部鋼框架結(jié)構(gòu)；整體計(jì)算

0 概述

20世紀(jì)以來，在全世界范圍內(nèi)空間結(jié)構(gòu)得到了很大的發(fā)展。所謂“空間結(jié)構(gòu)”是相對(duì)平面結(jié)構(gòu)而言，具有三維作用的特性，可以看作平面結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和深化?？臻g結(jié)構(gòu)問世以來，以其高效的受力性能、新穎美觀的形式和快速方便的施工受到人們的歡迎。在需要大跨度及大空間的體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、文化設(shè)施、交通樞紐、工業(yè)廠房，無不見到空間結(jié)構(gòu)的蹤影。

目前,現(xiàn)有的網(wǎng)架計(jì)算方法是把網(wǎng)架和下部結(jié)構(gòu)分開來計(jì)算。在分析時(shí),把網(wǎng)架支座約束簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支,或有一定彈性剛度的支座,較少考慮下部支承結(jié)構(gòu)體系對(duì)網(wǎng)架桿件的內(nèi)力影響。對(duì)下部支承體系而言，上部網(wǎng)架的反力已不真實(shí)。隨著結(jié)構(gòu)體系的多樣性和空間使用等需求的提高，獨(dú)立的簡(jiǎn)化模型與邊界條件已經(jīng)不足以滿足設(shè)計(jì)需求，需要結(jié)合大型空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整體分析，才能更真實(shí)反映出結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)。在現(xiàn)有大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中，SAP2000、MIDAS等可以進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，但僅能驗(yàn)算桿件單元是否滿足受力需要，無法輸出網(wǎng)架構(gòu)件的零件表，針對(duì)這種情況。本文以實(shí)際工程案例，提出了一個(gè)網(wǎng)架與下部鋼框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的方法。

1 算例分析

1.1 概況

項(xiàng)目名稱為廈門市體育中心綜合健身館及育秀路公共停車場(chǎng)其子項(xiàng)工程綜合健身館，項(xiàng)目位于廈門市思明區(qū)湖濱北路中段以北的體育中心，本工程擬建項(xiàng)目主要為主樓及兩層純地下室組成。主樓高度為26.0 m（全鋼結(jié)構(gòu)），長(zhǎng)度178.9 m，寬度60.7 m，建筑面積20 254 m2。兩層地下室（鋼筋混凝土框架）開挖8.6 m，建筑面積33 350 m2。上部鋼結(jié)構(gòu)主要為兩層（局部含夾層為三層），結(jié)構(gòu)體系為鋼框架支撐。主要柱距為8.1 m。40.5 m上空的屋蓋為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組成的輕鋼屋蓋,跨度為56.7 m×40.5 m,見圖1。

圖1 項(xiàng)目效果圖

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為七度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g，地震分組為第二組。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地類別為III類，場(chǎng)地特征周期0.55 s，地震影響系數(shù)最大值0.12，抗震構(gòu)造措施為八度。本工程基本風(fēng)壓0.8 kN/m2。

圖2 剖面圖

1.3 計(jì)算分析

本工程鋼框架部分計(jì)算采用PKPM-SATWE、網(wǎng)架部分計(jì)算采用3D3S，整體組裝復(fù)核計(jì)算及輸出網(wǎng)架零件圖采用3D3S。主框架設(shè)計(jì)結(jié)果以PKPM-SATWE輸出為主要依據(jù)，網(wǎng)架設(shè)計(jì)結(jié)果以組裝3D3S模型輸出。

1）PKPM對(duì)于空間網(wǎng)架的輸入比較復(fù)雜,因此在采用PKPM軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將屋面網(wǎng)架用剛性梁代替，用來模擬剛度及傳導(dǎo)荷載。在此模型中對(duì)結(jié)構(gòu)主框架柱、樓層梁進(jìn)行分析，本工程層間位移、扭轉(zhuǎn)等全部滿足結(jié)構(gòu)要求。確定全部柱梁尺寸，主要截面為：柱截面B1200×800×36、B600×650×20、B800×25、梁截面B2000×800×20×25、B1250×500× 22×25、B900×400×20、B600×300×14、HN400×200× 8×13。

2）在3D3S中進(jìn)行上部網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)建模，因上部屋面分為兩塊,因此建立了兩個(gè)單體網(wǎng)架模型。

3）因現(xiàn)有軟件接口問題，下部主體PKPM模型無法直接導(dǎo)入3D3S，只能先從PKPM導(dǎo)出至MIDAS，再從MIDAS導(dǎo)出至3D3S，最后將大小兩個(gè)網(wǎng)架3D3S模型合并到主結(jié)構(gòu)3D3S模型中，如圖3所示，至此組合模型拼裝完成。后續(xù)工作就是按照3D3S網(wǎng)架設(shè)計(jì)流程，將下部主框架截面保持PKPM中計(jì)算結(jié)果不變，對(duì)網(wǎng)架桿件截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。網(wǎng)架桿件主要截面為：D60×3.5、D75.5×3.75、D88.5× 4、D114x4、D140×8、D159×10，在3D3S中輸出螺栓球材料表，螺栓，套筒，封板及錐頭材料表。

圖3 D3S組合模型軸測(cè)圖

4）對(duì)帶地下室PKPM計(jì)算模型、不帶地下室PKPM模型、3D3S組合模型這三種模型比較了相應(yīng)周期數(shù)據(jù)，誤差在3%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為3D3S組合模型正確。

三種模型周期數(shù)據(jù)如下：

表1 三種模型周期數(shù)據(jù)比較

2 結(jié)論

從以上分析過程及結(jié)果，網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)與下部鋼框架結(jié)構(gòu)整體分析，3D3S組合模型周期計(jì)算結(jié)果誤差在3%以內(nèi),可以認(rèn)為3D3S組合模型正確,計(jì)算方法可以運(yùn)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，并且解決了網(wǎng)架單元零件圖設(shè)計(jì)出圖的需要，提高了工程計(jì)算準(zhǔn)確性。

從以上分析過程及結(jié)果，網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)與下部鋼框架結(jié)構(gòu)整體分析，3D3S組合模型周期計(jì)算結(jié)果誤差在3%以內(nèi),可以認(rèn)為3D3S組合模型正確,計(jì)算方法可以運(yùn)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，并且解決了網(wǎng)架單元零件圖設(shè)計(jì)出圖的需要，提高了工程計(jì)算準(zhǔn)確性。