大跨度封閉式柱面網架結構設計分析及應用

摘? ? 要：本文分析了大跨度封閉式柱面網架結構設計要點，介紹了大跨度封閉式柱面網架結構目前常用的施工方法，以及在散貨封閉料場中的應用實例，供業內人士參考。

關鍵詞：大跨度、網架、結構設計、應用

1? 引言

近年來，隨著人們對空間需求的增大和建筑技術的迅速發展，各式各樣的大跨度建筑物不斷涌現。目前大跨度空間結構應用較多的是空間網格結構，網殼結構屬于一種曲面型網格結構，有桿系結構構造簡單和薄殼結構受力合理的特點，其外形優美、受力性能好、經濟性好，施工方便，是一種具有廣闊發展前景的大跨度空間結構形式。柱面網殼結構作為網殼結構形式之一，在封閉式散貨料場領域應用最為廣泛。施工技術是大跨度網架結構設計成果實現的基礎，大跨度網格結構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架結構設計

2.1? 荷載

2.1.1? 恒載

恒載主要包括網架結構自重、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、風荷載，溫度作用、地震作用。屋面活荷載、雪荷載根據荷載規范中的規定直接取值。大跨度結構對風荷載效應最為敏感，而我國現行荷載規范中缺乏這類結構體型的設計數據，在實際工程中應由風洞試驗確定。溫度作用應自安裝時的溫度算起，計算最大正溫差和負溫差。地震作用包括水平和豎向地震作用兩大類，在設防烈度為7度的地區，網殼結構可不進行豎向地震作用計算，但必須進行水平抗震計算。

2.2? 結構幾何參數

大跨度柱面網架結構幾何形態設計的內容主要包括矢跨比、網格厚度和網格尺寸。實際結構的設計，應從經濟性和受力性能方面綜合考慮，對網格的厚度和尺寸進行優化設計。

2.3? 支承條件和節點設計

網殼結構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，內力峰值減少34%，桿件內力分布均勻，因此上弦支承方式在大跨度柱面網架結構中應用較多。支座節點的設計需盡量接近實際的邊界條件，網殼結構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。

大跨度網架結構通常采用螺栓球節點，其特點為桿件內只受軸向力，不產生彎矩，且施工速度快，高空作業時，施工質量更容易保障。

3? 施工方法

施工方法直接影響工程的質量、進度與造價。大跨度網格結構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架結構單元，自身應該具有足夠的剛度，否則應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，保證結構施工質量和安全性;整體提升法的優點是可以保證節點的質量和拼裝的準確性，但對于起重設備的要求較高。

實際工程中，應從工期、場地條件、機械設備、施工技術水平等方面綜合考慮做出經濟合理的選擇。

4? 應用實例

4.1? 工程概況

本工程為岳陽城陵磯環保提質改造工程散貨封閉料場，軸線尺寸為470m（長）×110m（寬），矢高44.124m，網格為4.0m（縱向）×4.55（跨度），厚度3.55m，三心圓柱面鋼網殼結構，采用正放四角錐形式，柱腳采用球鉸支座，柱頂標高2.0m。

4.2? 設計參數

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。風壓：0.45kN/m2（根據以往工程的風洞試驗，并咨詢中國建科院風洞，風洞試驗的結果與荷載規范一致，大部分體型系數比荷載規范小，可以分別按照荷載規范表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）（體型系數選自荷載規范表7.2.1第3、10項）。溫度荷載：±30℃。結構安全等級為二級，設計使用年限為50年。建筑抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為7度;設計基本加速度值為0.1g;設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，設計特征周期為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? 設計控制指標

屋頂網殼撓度≤ L /250。風荷載下，網殼頂部相對水平位移≤ H /150。應力比：網架桿件設計應力的取值要求：一般桿件設計應力按規范強度設計。值的90%取值;支座附近的桿件設計應力按規范強度設計值的80%取值。支座以上兩個節間的關鍵受壓桿件：[λ]≤150;其它受壓桿件[λ]≤180;受拉桿：[λ]≤220，關鍵受拉桿件[λ]≤200。

4.4? 結構設計分析

本工程采用MSTCAD軟件計算，空間桿系有限元法分析節點位移和桿件內力，節點均按鉸接，桿件按軸心受力構件。驗算結果：（1）結構在最不利組合下的應力比均<0.9;（2）結構跨中豎向撓度在恒+活標準值下為236mm.撓跨比為1/466<1/250;（3）結構跨中水平向位移在恒+風標準值下為260mm.高跨比為1/177<1/150;（4）結構跨中水平向位移在地震標準值下很小.遠遠滿足<1/250要求。

本工程經過結構優化設計最終確定的網架厚度為3.55m，此時最大桿件為219mmX16mm，螺栓球最大直徑為240mm，網架結構桿件總單元數為33456，節點數為8528，螺栓數為48524，網架封閉面積為49275m2，網架最終設計總用鋼量為3594.7t，單位用鋼量為73kg/m2。

4.5? 施工

根據三心圓柱面網架的特點，結合工期安排，現場起重設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。施工前施工單位進行了嚴謹的施工組織設計和吊裝模擬分析，最終順利完成了網架拼裝工作。

5? 結束語

（1）大跨度柱面網架結構的設計，風荷載起主要作用，規范中對此類網架結構沒有明確規定，在實際工程中應進行風洞試驗，以提高結構的安全可靠性。（2）應綜合考慮受力性能和經濟性兩個方面的因素，確定大跨度柱面網架結構的幾何參數。（3）實際工程中，應從工期、場地條件、機械設備、施工技術水平等方面綜合考慮做出經濟合理的選擇。（4）大跨度全封閉柱面網架結構形式，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，對生態環境的保護有著重要的意義。

參考文獻：

[1] 邸龍.復雜條件下大跨度空間柱面網殼結構的抗震研究[D].同濟大學，2006

[2] 張鵬.大跨度網架結構施工技術發展與展望[A].中國建筑施工學術年會論文集[C]，2017.

作者簡介：

萬毅（1990—）女，漢，湖南衡陽人，碩士，工程師，研究方向：建筑工程。