某單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙建偉

(太原通勝路橋建設(shè)開發(fā)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(jié)構(gòu)為混凝土框架，考慮到造型的美觀和功能要求，應(yīng)建筑要求，屋蓋用如圖1所示球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)采用單層凱威特型球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，是在肋環(huán)型的基礎(chǔ)上加斜桿而組成的，它大大提高了網(wǎng)殼的剛度，提高了抵抗非對稱性荷載的能力。構(gòu)件數(shù)量比肋環(huán)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(jié)構(gòu)計算

該工程為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，下部支撐結(jié)構(gòu)為混凝土框架，本文僅以上部網(wǎng)架三維建模進行計算(見圖2)。結(jié)構(gòu)采用周邊支撐，X，Y，Z三向剛性約束。結(jié)構(gòu)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(wǎng)架自重為17.8 kg/m2。

3 使用程序和計算依據(jù)

本論文采用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件3D3S建模計算，用鋼結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000進行動力分析，設(shè)計時參照建筑效果圖以及結(jié)構(gòu)的下部施工圖，荷載取值時參照GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，設(shè)計時參照GB 50017-2001鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范以及JGJ 7-91網(wǎng)架規(guī)范。

4 荷載取值

根據(jù)本項目的建筑設(shè)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(fēng)壓為0.4 kN/m2，50年一遇的基本雪壓為0.25 kN/m2，在進行設(shè)計計算時，荷載通過面荷載雙向?qū)Ш芍辽舷覘U件。

依據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范，綜合考慮太原地區(qū)的抗震設(shè)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(shù)最大值取 0.16(αmax=0.16)，特征周期值取 0.45 s(Tg=0.45 s)，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02(ζ=0.02)。

整個計算過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)采用抗震設(shè)計，內(nèi)力設(shè)計值根據(jù)荷載及荷載效應(yīng)組合來進行計算，參照的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范。

5 計算結(jié)果分析

用SAP2000軟件進行了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的前面九個模態(tài)進行計算，第二步是對地震力計算(采用振型分解反應(yīng)譜法)，第三步是在地震力及其他荷載組合的情況下，進行結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力計算，然后對構(gòu)件截面的強度進行驗算，同時也對構(gòu)件截面的穩(wěn)定進行驗算。

1)結(jié)構(gòu)動力特性的分析結(jié)果。

表1 結(jié)構(gòu)自振頻率

對該單層凱威特型球面網(wǎng)殼進行動力特性的模態(tài)分析，表1顯示了結(jié)構(gòu)前9階振型的自振周期結(jié)果及振動形式，圖3～圖6是前4階的振型圖。

仔細分析結(jié)構(gòu)振型圖和自振頻率可以得出，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的頻譜密集度比較大，并且出現(xiàn)部分頻率很接近，有些頻率也出現(xiàn)相等的現(xiàn)象。

造成這種結(jié)構(gòu)的原因是因為選用的計算模型有著數(shù)個對稱軸，前幾階振型往往是反對稱振型，從振型圖可知，結(jié)構(gòu)的前4個振型都是周邊環(huán)向桿件的局部振動。這是由于結(jié)構(gòu)所選網(wǎng)格形式?jīng)Q定，在地震作用下，主肋的動內(nèi)力小而環(huán)向桿和斜向桿的動內(nèi)力較大。

由表1我們知道結(jié)構(gòu)第一振型周期為0.397 42 s，這說明結(jié)構(gòu)的剛度較大，同時無扭轉(zhuǎn)振型，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足使用要求。

2)結(jié)構(gòu)的靜力計算。

結(jié)構(gòu)在靜力計算時，主要考慮計算結(jié)構(gòu)在各種荷載的作用下桿件的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在最不利組合的情況下，受力桿件最大內(nèi)力值和受力桿件結(jié)構(gòu)最大位移值，結(jié)構(gòu)單元最大應(yīng)力值計算結(jié)果如表2所示，各組合工況下結(jié)構(gòu)最大位移值計算結(jié)果如表3所示。

表2 “強度應(yīng)力比”最大的前10個單元的驗算結(jié)果

表3 球面殼體結(jié)構(gòu)的最大位移值 mm

由上述最大應(yīng)力比表和位移表可知，在各組合工況下，本球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)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(jié)語

由以上計算結(jié)果表明:從動力特性及靜力計算的數(shù)值上可以推出本建筑結(jié)構(gòu)所有桿的強度符合設(shè)計規(guī)范要求，各個桿的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)整體剛度均符合設(shè)計規(guī)范要求，同時也完全滿足使用要求。故得出的結(jié)論為:本球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，能夠滿足設(shè)計和使用的要求，同時施工上也可行。