網架結構屋蓋在荷載作用下的變形、內力特點及參數影響分析

周燦群 張祥杰

（浙江中材工程設計研究院有限公司）

網架結構屋蓋在荷載作用下的變形、內力特點及參數影響分析

周燦群1張祥杰2

（浙江中材工程設計研究院有限公司）

本文以筆者多年工作經驗，并結合某工廠實例，分析該水泥廠熟料庫網架屋頂的受力特征，在荷載作用下網架的受力特點和變形情況，并計算豎向、溫度荷載等參數對網架結構的影響。通過工程實際案例結合經濟效益，為建設工程的屋蓋設計提供理論參考。

網架結構 荷載作用 結構性能

1 工程概況

選取某水泥廠網架屋蓋的熟料庫為研究對象，對其整體性能進行分析。該水泥廠中熟料庫的直徑為70m，熟料庫屋蓋為圓臺形網架結構，為鋼質材料。熟料庫壁面為圓筒結構，壁厚為600mm，網架外徑為70.5 m。按照設計規范要求，錐面傾角取32°角，錐頂平臺直徑取13.7m，整體高度為20m。屋頂截面以雙層網架為基礎，其中網格形狀為四角錐形。熟料庫內部環境和外部環境的溫度相差較大，為保持庫內恒溫，該工程設計了徑向滑動支座，網架支座選定為下弦外環處的18節點，該節點為螺栓球結構，利用高強螺栓將節點和工程整體進行連接。抗震防烈度取8度，溫度差選定為15°，拉鏈機頭拉力定為360kN，桿件所承受的最大應力比應控制在0.8范圍內。

2 整體性能分析

2.1 網架周期和振型

水泥廠屋頂設計時，荷載和組合分項系數、組合系數的取值應按照荷載取值規范進行選取，過程中應考慮風荷載、溫度荷載、地震荷載等對組合量的影響，組合后對網架的周期和振型進行分析，得出以下特征：

（1）網架結構的基本周期為0.32s，與其他網架類型屋蓋結構周期相對比，該工程網架剛度較大，分析原因可能是由于該鋼架結構承受的活荷載較多，因此，本結構選型時選用剛度大且截面高度取值偏大；熟料庫錐形網架屬于超靜定結構，這也是導致屋蓋結構剛度較大的原因，而實踐可知，本設計網架結構剛度大對屋蓋設計有益。

（2）本結構前兩階的周期、振型基本相同，均是由錐頂帶動錐面進行水平運動，但錐頂與錐面運動方向相互垂直。對支座結構進行分析可知，在振動作用下，支座位置徑向發生不同程度位移，法向無變化。

（3）第三階振型振動方向為豎向振動，振動周期略低于前兩階，支座受到壓力作用發生向外的變形，變形量基本一致，發生變形現象較為嚴重。

（4）四、五、六階振型均為高階振型，周期較前者均有減小，但減小的幅度不大，該網架結構振型較為接近密集，現階段，網架或網殼結構振型特點與該結構類似。

2.2 網架豎向變形、內力特征

（1）結構在豎向荷載的作用下，熟料庫屋蓋的錐面和錐頂均產生一定撓度，徑向的水平位移隨著徑向距離的延伸向周邊擴大。經測定，該網架結構在豎向荷載的作用下撓度最大處出現在錐頂平臺上，為19.34mm，水平形變量為8.71mm。豎向活荷載產生的撓度最大處也為錐頂平臺上，其數值為13.77mm，水平形變量為6.42mm。網架的豎向和水平變形量均在變形限值要求內，可達到使用標準。

（2）本結構中豎向恒荷載較大，在恒荷載作用下，網架內部受力比活荷載產生的作用大，在網架各結構中，活荷載和恒荷載產生的作用平均分布于各結構，按比例變化。

經檢測，庫房頂面18個支座豎向反力值相同，由此說明頂面結構基本中心對稱，剛度值也基本相等，因此在屋頂受到的荷載能夠均勻分配到各支座。各支座間水平方向的反力為0，因此，豎向荷載作用下，各支座不受到法向反力的作用。

3 關鍵參數影響分析

3.1 溫度荷載影響

溫度荷載的變化不會導致內力變化，因此本結構中溫度荷載對結構豎向位移和受力影響較小，但對結構水平位移影響較大，具體見下圖1所示，圖1是水平位移量隨溫度荷載變化的曲線關系圖，從圖中可以看出，溫差與水平位移變化呈線性關系，當溫差升高到I50℃時，位移最大量達到84 mm，當拉鏈機頭荷載不相同時，溫度差值變化對最大水平位移量影響不大，即下圖1所示，四根曲線基本重合。

圖1 溫差與最大水平位移變化關系

3.2 地震荷載影響

在拉鏈機頭斜向力相同、設防烈度不同的網架結構進行分析計算，結果顯示地震作用對用鋼量沒有顯著影響，對結果的周期和位移情況也沒有影響。選取兩種設防烈度進行比較，網架的截面均無變化，由此推斷地震荷載對結構影響關系不大，在結構設計過程中不作為主要影響因素進行分析。

3.3 支座數量影響

該工程網架共有72個節點，為保持均勻分配則將網架支座數量分別設定為12，18，24和36個，構建模型進行分析計算，桿件內力和位移情況與支座數量均呈反比，且變化趨勢基本相同，均隨著支座數量的增加而逐漸減少，但變化趨勢為非線性關系，隨著支座數量增加速度的降低，各指標變化也逐漸減少。由此可見，支座數量是影響結構受力的重要因素，但其對結構的影響將隨著支座數量的增加而逐漸減緩，對結構的影響效果逐漸下降。

對該結構網架進行分析表明，設置18個支座時結構各指標量最佳，支座數量不多，施工操作方便，而結構桿件受力情況、位移等指標均可達到設計規范要求。

4 結論

綜上所述，本文主要得出以下三點結論：

（1）屋蓋結構設計中，網架最外環拉力最大，應重點分析該處拉力情況是否滿足設計要求，在工程承受荷載較大的情況下，外環桿件橫截面積應較大，可能導致超出螺栓直徑范圍，設計上比較困難。本文針對實際工程情況分析發現，增加與外環相鄰的內環桿件能夠分擔外環桿件受力，有助于減小外環桿件尺寸。

（2）本工程選定網架結構為超靜定結構，結構剛度較大，在設計中應注意對支座的設計，選擇滑動式支座，有助于結構散熱。

（3）在設計工作中，除應滿足設計規范要求外，還應考慮施工環境和經濟等因素影響。

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1007–6344（2015）01–0327–01