單層球面網(wǎng)殼采光頂技術問題

摘要：單層球面網(wǎng)殼采光頂是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的一種以桿件為基礎的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，本文主要闡述了單層球面網(wǎng)殼采光頂組成、發(fā)展趨勢特征、結(jié)構(gòu)設計中的基本理念及注意事項。

關鍵詞：單層球面網(wǎng)架 采光頂 玻璃幕墻

1 引言

1.1 單層球面網(wǎng)殼采光頂及其組成

網(wǎng)殼是一種與平板網(wǎng)架類似的空間桿系結(jié)構(gòu)，系以桿件為基礎，按一定規(guī)律組成網(wǎng)格，按殼體結(jié)構(gòu)布置的空間構(gòu)架，它兼具桿系和殼體的性質(zhì)。其傳力特點主要是通過殼內(nèi)兩個方向的拉力、壓力或剪力逐點傳力。單層球面網(wǎng)殼采光頂是由屋面板為硅酸鹽系玻璃、鋁、鋼等支承結(jié)構(gòu)連接、安裝組成的一種建筑工程結(jié)構(gòu)，它可以相對獨立或依附于主體建筑結(jié)構(gòu)。按使用用途分類，單層球面網(wǎng)殼采光頂?shù)念愋椭饕▏o性結(jié)構(gòu)和裝飾性結(jié)構(gòu)；按結(jié)構(gòu)構(gòu)造可以分為：單層圓柱面網(wǎng)殼的網(wǎng)絡和單層球面網(wǎng)殼的網(wǎng)絡；按面板支承情況可以分為框支承結(jié)構(gòu)式：明框，隱框，半隱框玻璃采光頂；點支承結(jié)構(gòu)式：駁接爪連接玻璃采光頂、四角嵌固式玻璃采光頂；按支承結(jié)構(gòu)材料可以分為鋼材，玻璃。

1.2單層球面網(wǎng)殼采光頂應用設計的趨勢

近年的幾座公共采光頂建筑設計構(gòu)思，如以下圖片所示，本文列舉了幾座比較典型的代表作：

圖1國家大劇院圖2天津泰達干培中心中庭

圖3嘉洲陽光網(wǎng)架圖4東莞康湖花園酒店采光頂

單層球面網(wǎng)殼采光頂設計的趨勢主要有以下幾個方面：（1）理念構(gòu)思新奇；（2）寓意概括形象；（3）造型怪異復雜；（4）空間結(jié)構(gòu)巨大；（5）內(nèi)外通透明亮；（6）結(jié)構(gòu)外形優(yōu)美；（7）功能齊備實用。

1.3單層球面網(wǎng)殼采光頂?shù)脑O計趨勢特征

單層網(wǎng)殼的桿件布置方式變化多端，由于建筑設計的趨勢要求，其支承結(jié)構(gòu)的設計也具有與之相應的以下趨勢和特征：空間、跨度巨大；類型多樣，剛度好；桿件輕巧，截面小：節(jié)點可靠，美觀大方；材質(zhì)安全，加工精良；便于維修，經(jīng)久耐用。

1.4單層球面網(wǎng)殼采光頂設計的一些基本理念

單層球面網(wǎng)殼采光頂設計涉及許多方面，是多學科多工種眾人的共同創(chuàng)作；需要各方相互尊重、切磋配合、協(xié)調(diào)一致。設計應以建筑為主導，結(jié)構(gòu)為基礎，功能為關鍵，并把結(jié)構(gòu)可靠放在第一位。單層球面網(wǎng)殼采光頂是由脆性材料玻璃，普通型鋼和薄壁型鋼，粘彈性材料結(jié)構(gòu)膠等多種性質(zhì)不同材料組成的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設計的成敗在于能否統(tǒng)籌兼顧，合理利用各種材料特性組成的性能安全可靠，經(jīng)濟合理，效益良好的建筑工程構(gòu)筑物。它必須具備建筑工程結(jié)構(gòu)的必要功能特征。

2 單層球面網(wǎng)殼采光頂?shù)幕纠砟?/p>

2.1單層球面網(wǎng)殼采光頂結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

單層球面網(wǎng)殼采光頂結(jié)構(gòu)是由玻璃、鋁材、鋼材等加工成的板件，通過各種連接方式，安裝而構(gòu)成的一種建筑工程結(jié)構(gòu)。單層球面網(wǎng)殼采光頂結(jié)構(gòu)是人們?yōu)樯鐣钚枰O計建造的一種工程構(gòu)筑物，它需要承受各種可能的作用，并能滿足各項預定功能的要求并具有足夠的可靠性（安全性、適用性和耐久性）。施加于結(jié)構(gòu)物的作用可分為自然和人為環(huán)境兩類作用。直接施加在結(jié)構(gòu)上的作用又稱荷載，如風，雪，雨，海浪，人群，設備，等；非直接施加在結(jié)構(gòu)上的直稱其為作用，如地震，溫度，支座沉降，強制裝配等。

2.2結(jié)構(gòu)設計的目的

采光頂采用網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)設計的目的在于，它在建造時和建成后，在各種工況可能作用下具有足夠的可靠性，并使其創(chuàng)造較高的社會經(jīng)濟效益。

2.3建筑幕墻支承結(jié)構(gòu)的類別

單層圓柱面網(wǎng)殼的網(wǎng)絡分為單向斜桿正交正放網(wǎng)絡、交叉斜桿正交正放網(wǎng)絡、聯(lián)方網(wǎng)絡和三向網(wǎng)絡；單層球面網(wǎng)殼的網(wǎng)絡分為肋環(huán)型、肋環(huán)斜桿型、三向網(wǎng)絡、扇形三向網(wǎng)絡、葵花形三向網(wǎng)絡和短程線性網(wǎng)絡；單層雙曲拋物面網(wǎng)殼分為三向網(wǎng)絡（其中兩個方向沿直紋布置）和兩向正交網(wǎng)絡（沿主曲率方向布置，必要時加設斜桿）。

2.4建筑幕墻結(jié)構(gòu)的一般設計程序與方法

單層球面網(wǎng)殼采光頂結(jié)構(gòu)的設計程序

a.根據(jù)建筑物特點及建筑設計的要求選擇肋環(huán)斜桿型結(jié)構(gòu)體系；

b.布置肋環(huán)斜桿型結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件；

c.根據(jù)肋環(huán)斜桿型結(jié)構(gòu)體系所受作用的狀況和結(jié)構(gòu)體系的工作性能確定結(jié)構(gòu)分析（計算）簡圖（模型）；

4 連接節(jié)點設計和/或驗算；

5 繪制圖紙和編制技術文件。

2.5建筑幕墻結(jié)構(gòu)設計遇到的問題：

a.單層球面網(wǎng)殼采光頂結(jié)構(gòu)應采用空間梁系有限元進行計算，連接方式應采用剛接節(jié)點，撓度控制在短邊邊長的1/400以內(nèi)。

b.鋼結(jié)構(gòu)選型適當加大，最下壁厚不得少與4mm厚，否則焊縫高度不能滿足，連接設計強度不夠，容易出現(xiàn)安全隱患。

角焊縫的焊腳尺寸hf應符合以下要求：當鋼管壁厚tc≦4mm時，hf≦1.5tc；當鋼管壁厚tc≥4mm時，hf≦1.2tc。

c.當受力確實很大，從鋼結(jié)構(gòu)等相關規(guī)范無法找出計算依據(jù)的情況下，可以采用插值法求出安全系數(shù)。

d.建筑玻璃采光頂應考慮正風壓、負風壓荷載的作用和效應，必要時尚應考慮非對稱荷載的作用和效應。

e.球面網(wǎng)殼的全面過程分析可按滿跨均布荷載進行，圓柱面網(wǎng)殼和橢圓拋物面網(wǎng)殼宜補充考慮半跨活荷載分布。

需要注意的事項：

①不上人的層面，當施工或維修荷載較大時，應按實際情況采用；對不同結(jié)構(gòu)應按有關設計規(guī)范的規(guī)定，將標準值作0.2kN/m的增減。

②上人的屋面，當兼作其他用途時，應按相應樓面活荷載采用。

對承受活荷載的屋面玻璃，活荷載的設計應符合下列規(guī)定：對上人的屋面玻璃，應按分布荷載和集中荷載最不利情況，分別計算：玻璃板中心點直徑為150mm的區(qū)域內(nèi)，應能承受垂直于玻璃為1.8kN的活荷載。

③對不上人的屋面玻璃，設計應符合下列規(guī)定：

與水平面夾角小于30”的屋面玻璃，在玻璃板中心點直徑為150mm的區(qū)域內(nèi)，應能承受垂直于玻璃為 1.1kN 的活荷載。

與水平面夾角不小于30“的屋面玻璃，在玻璃板中心直徑為150mm的區(qū)域內(nèi)，應能承受垂直于玻璃為0.5kN 的活荷載。

參考文獻

[1]網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程.（JGJ 61-2003），中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]陳建東 等.玻璃幕墻工程技術規(guī)范應用手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[3]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.（ GB50009-2006），中國建筑工業(yè)出版社，2006。

作者簡介：

蔡麗平（1982-），女，本科，畢業(yè)于河北工業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)工作于北京凱順藤工程咨詢有限公司。