空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

蔡麗

摘? 要：桁架結(jié)構(gòu)是一種利于建筑工程施工建造的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用不僅能夠方便相關(guān)工程的施工，同時(shí)還能夠保障建筑工程的質(zhì)量。目前來(lái)說(shuō)，一些建筑工程的施工過(guò)程中，也會(huì)經(jīng)常應(yīng)用這種構(gòu)造。而根據(jù)施工建筑工程特殊性進(jìn)行分析，該建筑結(jié)構(gòu)形式也可以靈活運(yùn)用，以便相關(guān)工程的順利施工。本文對(duì)空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果進(jìn)行論述，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)企業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：桁架;橢球面;設(shè)計(jì)

桁架的應(yīng)用形式有多種，長(zhǎng)方體的桁架結(jié)構(gòu)是較為常見桁架樣式，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用通常會(huì)具有簡(jiǎn)單性，同時(shí)還具有方便性，這對(duì)相關(guān)項(xiàng)目的施工建筑也具有提高效率的意義。但由于工程項(xiàng)目的不同，桁架的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案也會(huì)不同，例如，當(dāng)相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)造型為橢球面時(shí)，設(shè)計(jì)人員則應(yīng)合理對(duì)桁架的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如根據(jù)建筑造型的橢球面，設(shè)計(jì)一種拱支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合某工程項(xiàng)目對(duì)空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，希望能夠促進(jìn)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。

1 工程概況

某工程項(xiàng)目是一種水世界類型的工程項(xiàng)目，該建筑工程項(xiàng)目的外觀為橢球狀，總建筑面積約為43000m2，水面面積約為15000m2。外形的橢球的高度為30m，平面投影長(zhǎng)軸有200m長(zhǎng)、短軸有140m，投影面積為21980m2。橢球面的材料多為玻璃材料，其目的在于利于該建筑結(jié)構(gòu)的室內(nèi)采光。

2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

2.1 屋蓋結(jié)構(gòu)體系的對(duì)比選擇

本文案例工程中，設(shè)計(jì)了三種具有可行性的屋蓋結(jié)構(gòu)體系，即型鋼拱、雙層網(wǎng)殼、拱支單層網(wǎng)殼。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用情況分析，該結(jié)構(gòu)的底部載荷越小時(shí)，該方案對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越有利。因此，相關(guān)人員對(duì)以上方案進(jìn)行了多方面的比較，如相關(guān)方案中可能引起的最大水平推力、用鋼的數(shù)量、基本周期、通透性、采光性、以及最大豎向位移。相關(guān)對(duì)比過(guò)程如下。

型鋼拱方案采用箱形截面，設(shè)置4根鋼管混凝土柱以減小跨度并承擔(dān)水平力;面外無(wú)支撐，整體剛度弱;桿件截面大且桿件種類的數(shù)量受限制，故用鋼量大。雙層網(wǎng)殼方案采用圓管截面，網(wǎng)殼落地處設(shè)置128個(gè)三向鉸接支座;整體剛度大，水平推力小且用鋼量最小，但桿件數(shù)量及截面種類多，采光性及視覺效果差。拱支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)利用拱結(jié)構(gòu)具有平面內(nèi)剛度大、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，改善了單層網(wǎng)殼的整體性能，而單層網(wǎng)殼對(duì)拱結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定起到有利作用，二者的相互結(jié)合提高了結(jié)構(gòu)的效能，使其各項(xiàng)性能指標(biāo)除通透性及采光性外，均優(yōu)于型鋼拱，且可以滿足建筑的視覺和采光要求。經(jīng)綜合考慮，最終選用拱支單層網(wǎng)殼方案。

2.2 拱支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系

拱支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)中，主要是按照“井”字形進(jìn)行建筑，其單層網(wǎng)殼的是按照4榀作為主要受力結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在被設(shè)計(jì)完成后，將空間桁架拱區(qū)分成了9個(gè)區(qū)格，且長(zhǎng)軸、短軸部分都被劃分成了3段。長(zhǎng)軸劃分后的軸向距離為70m、60m.70m;短軸被劃分后，其分段跨距為50m、40m、50m。另外，在網(wǎng)殼的頂部也相應(yīng)布置了馬道，其馬道形狀為8邊型。

空間上的桁架跨度分別為190.9m與132.3m。拱桁架的是由兩根上弦與一根下弦組成，其截面呈倒三角形狀。上下弦安裝所用的斜腹桿，促使平面呈現(xiàn)出網(wǎng)格狀，其網(wǎng)格規(guī)格為6*6m。而為了保證弦平面與拱支單層網(wǎng)殼的網(wǎng)格規(guī)格相一致，設(shè)計(jì)過(guò)程中，還將弦平面上的網(wǎng)格細(xì)分成了3*3m的結(jié)構(gòu)樣式。

拱支單層網(wǎng)格設(shè)計(jì)的落地位置處應(yīng)用了混凝土環(huán)梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，這種結(jié)構(gòu)形式與桁架相交處的環(huán)梁改為了鋼桁架環(huán)梁，如設(shè)計(jì)過(guò)程中的8段混凝土環(huán)梁與鋼桁架環(huán)梁交替相連的形式。通過(guò)這種利用拱支單層網(wǎng)殼支承于拱架及周圍混凝土的環(huán)梁上的設(shè)計(jì)方式，其設(shè)計(jì)效果表明，拱架的設(shè)置起到減少網(wǎng)格跨度的作用，而這種作用也提高了網(wǎng)殼整體的穩(wěn)定性效果。另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，拱腳位置的受力情況也勢(shì)必會(huì)具有較大的特點(diǎn)，對(duì)此，為了改善拱腳位置的受力情況，設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了在8個(gè)拱腳間設(shè)置4根拉索的設(shè)計(jì)樣式。同時(shí)，為來(lái)保障緩解拱腳受力的效果，設(shè)計(jì)過(guò)程中，還在拱桁架交叉的位置處采用了二級(jí)分叉樹狀的支撐方法，樹狀支撐的過(guò)程中主要是用于支撐網(wǎng)殼。

拱支單層的支持柱采用了22.5m的支撐柱，這種柱是一種圓鋼管混凝土柱，同時(shí)這種柱的設(shè)計(jì)形式也有利于減小柱的占地面積，并保障支持的效果。分叉樹狀支持材料的設(shè)計(jì)過(guò)程中，也將其設(shè)計(jì)成為了圓鋼管。在設(shè)計(jì)柱與分叉樹狀的連接方式時(shí)，采用了焊接方式，并采用了半個(gè)焊接空心球節(jié)點(diǎn)的形式，例如，半球與柱頂封板的焊接采用的是第一級(jí)分叉樹狀支撐焊接于球上。

3 結(jié)構(gòu)基本特性分析

3.1 模型建立

采用ANSYS軟件建立拱支單層網(wǎng)殼有限元模型。單層網(wǎng)殼桿件、拱桁架弦桿、鋼桁架環(huán)梁弦桿、混凝土環(huán)梁采用可以考慮材料非線性的Beam188梁?jiǎn)卧M;拱桁架三面腹桿、鋼桁架環(huán)梁腹桿以及馬道吊桿采用既能受拉也能受壓的Link8桿單元模擬;拉索采用Link10模擬且設(shè)置為僅能受拉，預(yù)應(yīng)力施加采用初始應(yīng)變法;同時(shí)建立表面效應(yīng)單元Surf154以施加面荷載。檁托板上焊有十字形肋板，兩個(gè)方向的檁條都焊接于十字肋板上，檁條采用Beam188梁?jiǎn)卧阅M剛接作用。

在找形階段釋放拱腳處的水平約束并在荷載組合（1.0恒+0.5活）作用下對(duì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，取拱腳節(jié)點(diǎn)處水平位移接近0時(shí)的預(yù)應(yīng)力值（1 350kN）。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)增大了拉索的安全系數(shù)，原因包括：1）拉索是結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件;2）拉索處于潮濕的地下環(huán)境且更換難度大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造及施工要求，每拱腳設(shè)4孔、每孔設(shè)置9根15.2鋼絞線。

3.2 整體穩(wěn)定性分析

單層網(wǎng)殼設(shè)計(jì)的控制因素可能不是強(qiáng)度，而是結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。特征值屈曲分析是線性分析且屬于分支點(diǎn)失穩(wěn)，網(wǎng)殼初始缺陷的存在使得結(jié)構(gòu)的曲形態(tài)由分支點(diǎn)失穩(wěn)變成極值點(diǎn)失穩(wěn)，而不會(huì)出現(xiàn)二次路徑，穩(wěn)定分析時(shí)應(yīng)采用非線性分析方法。單層網(wǎng)殼為缺陷敏感性結(jié)得到的第1階屈曲模態(tài)為初始缺陷形狀。L/300的初始缺陷大于規(guī)范規(guī)定的施工中容許的最大安裝偏差，但只有當(dāng)缺陷達(dá)到一定數(shù)值后，其對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的影響才能夠得到充分體現(xiàn)，因此分析時(shí)偏安全地將初始缺陷取為L(zhǎng)/300，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性的特征值屈曲分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑工程的施工建設(shè)過(guò)程中，越來(lái)越重視施工過(guò)程中的質(zhì)量性與經(jīng)濟(jì)性?？臻g桁架結(jié)構(gòu)是一種建筑結(jié)構(gòu)的施工組成樣式，而這種施工對(duì)建筑工程的質(zhì)量性及經(jīng)濟(jì)性施工也具有較為積極的意義。但施工企業(yè)的應(yīng)用桁架施工技術(shù)時(shí)，還應(yīng)針對(duì)工程特點(diǎn)進(jìn)行全面分析，以促使桁架鋼的施工能夠達(dá)到工程的相關(guān)要求。與此同時(shí)，施工設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，以促使設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)具有更多的選擇。

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