自平衡網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

陳曉明

摘要：依據(jù)參與設(shè)計(jì)的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為例，分析在主體混凝結(jié)構(gòu)邊界條件有限的前提下，實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)殼采光頂結(jié)構(gòu)的理論方式，比如：自平衡拉桿的應(yīng)用，固定球型鉸支座及x方向固定、y方向滑移球型鉸支座的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；自平衡；邊界條件；球型支座；長(zhǎng)細(xì)比

1.工程概況

該工程為單層空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)32.05m，寬22.7m，失高4.38m。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接在兩側(cè)16根懸挑6.4m的混凝土結(jié)構(gòu)柱上，結(jié)構(gòu)柱通過框架梁周圈連接。主體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)材料，總用鋼量為34.5噸，面層為夾膠玻璃采光頂。由于混凝土結(jié)構(gòu)柱為6.4m懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)水平推力比較敏感，本文件結(jié)合主體混凝土結(jié)構(gòu)的邊界條件，來分析屋頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可行性方案。屋頂懸挑混凝土結(jié)構(gòu)柱與混凝土結(jié)構(gòu)梁關(guān)系及鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，詳見下圖：

1.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用sap2000有限元軟件經(jīng)行分析計(jì)算，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)均采用圓鋼管（Q345B），網(wǎng)殼弧形主鋼梁為pipe245x12，網(wǎng)殼弧形次鋼梁為pipe127x4，自平衡拉桿為pipe152x6，穩(wěn)定桿為pipe102x4。

前提條件：混凝土框架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊共12根結(jié)構(gòu)柱（兩邊各6根）在Y軸為弱軸方向即支座2對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)柱位置，詳見：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)支座布置圖。

本項(xiàng)目屋頂鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路及理念：

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)按照?qǐng)A柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系布置且需要滿足采光頂玻璃分格的要求，由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有較大的側(cè)向推力，在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)32.05m長(zhǎng)邊方向布置了兩道自平衡桿且支座設(shè)置為滑動(dòng)支座，釋放網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)柱的水平推力，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中間區(qū)間通過兩道平衡桿達(dá)到結(jié)構(gòu)自身平衡的目的，從而適應(yīng)土建混凝土結(jié)構(gòu)柱Y軸方向剛度比較弱的問題；由于自平衡桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)（自平衡桿為22.7m），自平衡桿的長(zhǎng)細(xì)比通過兩道斜向穩(wěn)定桿控制。

1.2支座位置及形式

根據(jù)混凝土邊界條件確定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座形式及布置方式，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在混凝土柱頂?shù)闹ё贾萌缦拢?/p>

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座采用兩種支座形式，支座1：固定球型鉸支座，支座2：x方向固定，y方向滑移球型鉸支座，支座根據(jù)GB/T17955-2009進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮采用此類支座的思路：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與主體混凝土柱鉸接及滑移連接，球面聚四氟乙烯板實(shí)現(xiàn)鉸接目的，平面聚四氟乙烯板實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)釋放的目的。通過球型支座實(shí)現(xiàn)理論受力與實(shí)際的完美結(jié)合，達(dá)到安全設(shè)計(jì)的目的。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

考慮荷載工況： 恒荷載； 風(fēng)荷載； 活荷載；雪荷載；溫度荷載；地震荷載，通過各個(gè)工況荷載的組合分析，并考慮網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屈曲分析，通過自平衡拉桿及球型滑移支座的設(shè)計(jì)，6.4m的懸挑混凝土結(jié)構(gòu)柱采用650x650的截面即可滿足鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及主體混凝土結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范受力的要求，從而達(dá)到整體結(jié)構(gòu)輕盈美觀的整體效果。

2.結(jié)論

通過球型支座實(shí)現(xiàn)鉸接設(shè)計(jì)，滑動(dòng)支座實(shí)現(xiàn)對(duì)土建結(jié)構(gòu)弱軸方向的作用力釋放的問題，自平衡桿實(shí)現(xiàn)由于支座釋放后網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自身平衡目的，穩(wěn)定桿解決自衡桿的穩(wěn)定性問題，混凝土結(jié)構(gòu)柱通過周圈結(jié)構(gòu)梁實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的自身剛度及受力平衡，通過以上方案的設(shè)計(jì)，完美實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017—2003

[3]《空心管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)指南》J.A.Packer J.E.Henderson 著 J.J.Cao（曹俊杰）

[4]《橋梁球型支座》GB/T17955-2009