大跨度封閉式柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

近年來，隨著人們對空間需求的增大和建筑技術(shù)的迅速發(fā)展，各式各樣的大跨度建筑物不斷涌現(xiàn)。目前大跨度空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多的是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屬于一種曲面型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，有桿系結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單和薄殼結(jié)構(gòu)受力合理的特點，其外形優(yōu)美、受力性能好、經(jīng)濟(jì)性好，施工方便，是一種具有廣闊發(fā)展前景的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式之一，在封閉式散貨料場領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。施工技術(shù)是大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計成果實現(xiàn)的基礎(chǔ)，大跨度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的常用施工方法有高空散裝法、分（條）塊安裝法、高空滑移法、整體提升法。

  2 大跨度封閉式柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

  2.1 荷載

  2.1.1 恒載

  恒載主要包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自重、檁條、屋面板等上覆材料的自重。

  2.1.2 活載

  活載主要包括：屋面活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載，溫度作用、地震作用。屋面活荷載、雪荷載根據(jù)荷載規(guī)范中的規(guī)定直接取值。大跨度結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載效應(yīng)最為敏感，而我國現(xiàn)行荷載規(guī)范中缺乏這類結(jié)構(gòu)體型的設(shè)計數(shù)據(jù)，在實際工程中應(yīng)由風(fēng)洞試驗確定。溫度作用應(yīng)自安裝時的溫度算起，計算更大正溫差和負(fù)溫差。地震作用包括水平和豎向地震作用兩大類，在設(shè)防烈度為7度的地區(qū)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行豎向地震作用計算，但必須進(jìn)行水平抗震計算。

  大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

  2.2 結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

  大跨度柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)設(shè)計的內(nèi)容主要包括矢跨比、網(wǎng)格厚度和網(wǎng)格尺寸。實際結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性和受力性能方面綜合考慮，對網(wǎng)格的厚度和尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

  2.3 支承條件和節(jié)點設(shè)計

  網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支撐方式通常有三種：上弦、下弦和上下弦共同支撐。上弦支撐與下弦支撐相比，內(nèi)力峰值減少34%，桿件內(nèi)力分布均勻，因此上弦支承方式在大跨度柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。支座節(jié)點的設(shè)計需盡量接近實際的邊界條件，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中一般采用固定鉸支座，其受力合理、計算模型與實際受力狀況基本一致、用鋼量少。

  大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通常采用螺栓球節(jié)點，其特點為桿件內(nèi)只受軸向力，不產(chǎn)生彎矩，且施工速度快，高空作業(yè)時，施工質(zhì)量更容易保障。

  3 施工方法

  施工方法直接影響工程的質(zhì)量、進(jìn)度與造價。大跨度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的常用施工方法有高空散裝法、分（條）塊安裝法、高空滑移法、整體提升法。高空散裝法的高空作業(yè)量大，需要過多的材料搭建拼裝平臺;分（條）塊安裝法中分條分塊后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單元，自身應(yīng)該具有足夠的剛度，否則應(yīng)采用臨時的加固措施;高空滑移法可以減少大量的高空作業(yè)，保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和安全性;整體提升法的優(yōu)點是可以保證節(jié)點的質(zhì)量和拼裝的準(zhǔn)確性，但對于起重設(shè)備的要求較高。

  實際工程中，應(yīng)從工期、場地條件、機(jī)械設(shè)備、施工技術(shù)水平等方面綜合考慮做出經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

  4 應(yīng)用實例

  4.1 工程概況

  本工程為某公司提質(zhì)改造工程散貨封閉料場，軸線尺寸為470m（長）×110m（寬），矢高44.124m，網(wǎng)格為4.0m（縱向）×4.55（跨度），厚度3.55m，三心圓柱面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，采用正放四角錐形式，柱腳采用球鉸支座，柱頂標(biāo)高2.0m。

  4.2 設(shè)計參數(shù)

  恒載：0.3kN/m2（包括屋面壓型鋼板、馬道、燈具等吊掛，檁條）。活載：0.5kN/m2。風(fēng)壓：0.45kN/m2（根據(jù)以往工程的風(fēng)洞試驗，并咨詢中國建科院風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗的結(jié)果與荷載規(guī)范一致，大部分體型系數(shù)比荷載規(guī)范小，可以分別按照荷載規(guī)范表8.3.1第4、36項選取）。雪壓：0.7kN/m2（考慮半跨荷載、不均勻分布）（體型系數(shù)選自荷載規(guī)范表7.2.1第3、10項）。溫度荷載：±30℃。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年。建筑抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度;設(shè)計基本加速度值為0.1g;設(shè)計地震分組為組，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期為0.35s。鋼管：Φ140及以下桿件選用Q235B鋼;Φ140以上桿件選用Q355B鋼。

  4.3 設(shè)計控制指標(biāo)

  屋頂網(wǎng)殼撓度≤ L /250。風(fēng)荷載下，網(wǎng)殼頂部相對水平位移≤ H /150。應(yīng)力比：網(wǎng)架桿件設(shè)計應(yīng)力的取值要求：一般桿件設(shè)計應(yīng)力按規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計。值的90%取值;支座附近的桿件設(shè)計應(yīng)力按規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計值的80%取值。支座以上兩個節(jié)間的關(guān)鍵受壓桿件：[λ]≤150;其它受壓桿件[λ]≤180;受拉桿：[λ]≤220，關(guān)鍵受拉桿件[λ]≤200。

  4.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

  本工程采用MSTCAD軟件計算，空間桿系有限元法分析節(jié)點位移和桿件內(nèi)力，節(jié)點均按鉸接，桿件按軸心受力構(gòu)件。驗算結(jié)果：（1）結(jié)構(gòu)在最不利組合下的應(yīng)力比均<0.9;（2）結(jié)構(gòu)跨中豎向撓度在恒+活標(biāo)準(zhǔn)值下為236mm.撓跨比為1/466<1/250;（3）結(jié)構(gòu)跨中水平向位移在恒+風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)值下為260mm.高跨比為1/177<1/150;（4）結(jié)構(gòu)跨中水平向位移在地震標(biāo)準(zhǔn)值下很小.遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足<1/250要求。

  本工程經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計最終確定的網(wǎng)架厚度為3.55m，此時更大桿件為219mmX16mm，螺栓球更大直徑為240mm，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件總單元數(shù)為33456，節(jié)點數(shù)為8528，螺栓數(shù)為48524，網(wǎng)架封閉面積為49275m2，網(wǎng)架最終設(shè)計總用鋼量為3594.7t，單位用鋼量為73kg/m2。

  4.5 施工

  根據(jù)三心圓柱面網(wǎng)架的特點，結(jié)合工期安排，現(xiàn)場起重設(shè)備的性能及施工難易程度等因素，本工程確定采用分條（塊）安裝方法。施工前施工單位進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織設(shè)計和吊裝模擬分析，最終順利完成了網(wǎng)架拼裝工作。

  （1）大跨度柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，風(fēng)荷載起主要作用，規(guī)范中對此類網(wǎng)架結(jié)構(gòu)沒有明確規(guī)定，在實際工程中應(yīng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗，以提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性。（2）應(yīng)綜合考慮受力性能和經(jīng)濟(jì)性兩個方面的因素，確定大跨度柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。（3）實際工程中，應(yīng)從工期、場地條件、機(jī)械設(shè)備、施工技術(shù)水平等方面綜合考慮做出經(jīng)濟(jì)合理的選擇。（4）大跨度全封閉柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，可以從根本上解決散貨堆場粉塵外溢、撒漏、揚塵等污染問題，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有著重要的意義。