某單層球面網殼結構設計

趙建偉

(太原通勝路橋建設開發有限公司，山西太原 030024)

1 工程概況

本工程為某煤棚一屋蓋，下部支撐結構為混凝土框架，考慮到造型的美觀和功能要求，應建筑要求，屋蓋用如圖1所示球面網殼結構。

結構采用單層凱威特型球面網殼結構形式，是在肋環型的基礎上加斜桿而組成的，它大大提高了網殼的剛度，提高了抵抗非對稱性荷載的能力。構件數量比肋環型多，但整體剛度好，適用于中等及以上跨度。屋蓋跨度30 m，矢跨比為1/6。

2 結構計算

該工程為空間網格結構，下部支撐結構為混凝土框架，本文僅以上部網架三維建模進行計算(見圖2)。結構采用周邊支撐，X，Y，Z三向剛性約束。結構鋼材采用Q235B級鋼，桿件全部采用熱軋無縫鋼管，焊接空心球采用加肋和不加肋兩種形式，共有456根桿件，網架自重為17.8 kg/m2。

3 使用程序和計算依據

本論文采用空間結構設計軟件3D3S建模計算，用鋼結構分析軟件SAP2000進行動力分析，設計時參照建筑效果圖以及結構的下部施工圖，荷載取值時參照GB 50009-2001建筑結構荷載規范，設計時參照GB 50017-2001鋼結構設計規范以及JGJ 7-91網架規范。

4 荷載取值

根據本項目的建筑設計及場地情況，確定荷載取值為:上弦靜載為 0.5 kN/m2，下弦靜載(吊頂荷載)為 0.5 kN/m2，屋面活荷載為0.5 kN/m2，基本風壓為0.4 kN/m2，50年一遇的基本雪壓為0.25 kN/m2，在進行設計計算時，荷載通過面荷載雙向導荷至上弦桿件。

依據GB 50011-2010建筑抗震設計規范，綜合考慮太原地區的抗震設防烈度8度，地震分組為第一組，基本地震加速度值0.20g。計算時建筑場地類別采用Ⅲ類，水平地震影響系數最大值取 0.16(αmax=0.16)，特征周期值取 0.45 s(Tg=0.45 s)，鋼結構阻尼比取0.02(ζ=0.02)。

整個計算過程中結構設計基準期取50年，并綜合考慮水平方向和豎直方向的地震作用的影響。

結構采用抗震設計，內力設計值根據荷載及荷載效應組合來進行計算，參照的國家標準為GB 50011-2001建筑抗震設計規范。

5 計算結果分析

用SAP2000軟件進行了結構的動力特性計算，并用ANSYS大型通用有限元軟件進行校核，第一步是對結構的前面九個模態進行計算，第二步是對地震力計算(采用振型分解反應譜法)，第三步是在地震力及其他荷載組合的情況下，進行結構桿件的內力計算，然后對構件截面的強度進行驗算，同時也對構件截面的穩定進行驗算。

1)結構動力特性的分析結果。

表1 結構自振頻率

對該單層凱威特型球面網殼進行動力特性的模態分析，表1顯示了結構前9階振型的自振周期結果及振動形式，圖3～圖6是前4階的振型圖。

仔細分析結構振型圖和自振頻率可以得出，網殼結構的頻譜密集度比較大，并且出現部分頻率很接近，有些頻率也出現相等的現象。

造成這種結構的原因是因為選用的計算模型有著數個對稱軸，前幾階振型往往是反對稱振型，從振型圖可知，結構的前4個振型都是周邊環向桿件的局部振動。這是由于結構所選網格形式決定，在地震作用下，主肋的動內力小而環向桿和斜向桿的動內力較大。

由表1我們知道結構第一振型周期為0.397 42 s，這說明結構的剛度較大，同時無扭轉振型，結構設計滿足使用要求。

2)結構的靜力計算。

結構在靜力計算時，主要考慮計算結構在各種荷載的作用下桿件的內力和結構的位移，并同時考慮了地震力的作用與溫度荷載，在考慮所有的荷載組合下，計算出球面殼體結構在最不利組合的情況下，受力桿件最大內力值和受力桿件結構最大位移值，結構單元最大應力值計算結果如表2所示，各組合工況下結構最大位移值計算結果如表3所示。

表2 “強度應力比”最大的前10個單元的驗算結果

表3 球面殼體結構的最大位移值 mm

由上述最大應力比表和位移表可知，在各組合工況下，本球面網殼結構能夠滿足設計規范的要求，結構水平最大值能達到正常使用的要求，豎向位移的最大值滿足使用要求。

6 結語

由以上計算結果表明:從動力特性及靜力計算的數值上可以推出本建筑結構所有桿的強度符合設計規范要求，各個桿的穩定和結構整體剛度均符合設計規范要求，同時也完全滿足使用要求。故得出的結論為:本球面網殼結構穩定、可靠，能夠滿足設計和使用的要求，同時施工上也可行。