大跨空間結構選型及抗震性能分析

金奇峰，劉慶江

(北京維拓時代建筑設計有限公司,北京 100020)

隨著時代的發展，空間結構在大型體育館、會展中心、候機廳、大型宴會廳等大跨度公共建筑中得到廣泛應用，在荷載作用下，其具有三維受力、空間協同工作的特性，可以充分利用材料特性，適應不同建筑功能和造型的需求。項目建筑功能為宴會廳，該文選用兩種空間結構方案做對比分析，以更好地了解空間網架和立體桁架結構的受力特點和抗震性能。

1 結構方案

1.1 結構主要設計參數

某項目建筑功能為宴會廳，長39 m，寬27 m，結構高度為28 m；項目位于8度(0.2g)地區，場地類別為Ⅲ類，地震分組為二組，設防類別為丙類，安全等級為二級，基本風壓為w0=0.45 kN/m2，屋面體形系數為-0.6，地面粗糙類別為B類，設計基準期為50年。

1.2 結構布置

項目柱距如圖1、圖2所示，柱截面為800 mm×800 mm，在結構高度為13 m處有框梁拉結，梁截面為300 mm×800 mm。梁柱混凝土等級為C30，鋼筋采用HRB400；屋蓋采用圓鋼管截面，材料為Q355。屋蓋采用輕型屋面，根據結構跨度及建筑功能要求，屋蓋形式擬采用空間網架結構與立體管桁架結構，現對兩種結構形式的合理性進行對比研究，以確定更加合理的結構形式。

1.3 結構選型

結構方案一采用空間網架結構，網架結構是一個空間鉸接的桿系結構，在外力作用下不允許幾何可變，故首先必須保證結構為幾何不變結構。屋蓋結構為周邊支承形式，短跨為27 m，短跨與長跨的比值約為0.7,初步選為正交正放四角錐網架。網架跨度為27 m，網格尺寸約為跨度的1/6至1/12；同時根據總結的經驗[1]，網格數取值約為(6～8)+0.07L2,其中L2為網架短向跨度，故該項目網格數取值為9,即網格上弦與下弦長度為3 m；網架高度取值為2.1 m。

結構方案二為立體管桁架結構，桁架為直線型桁架，采用小立柱找坡。立體桁架的高度[2]可取跨度的1/12至1/16，結合經驗，網架高度取為2.1 m，網格上弦與下弦長度為3 m。

2 結構靜力分析

2.1 靜力分析模型

對結構采用3D3S軟件進行分析，方案一與方案二屋蓋形式[3]均采用圓管截面，截面不小于60 mm×3.5 mm，最終截面大小利用3D3S截面優選功能，根據應力比確定，方案一與方案二定義應力比不超0.85；方案一與方案二屋面荷載相同，屋面恒載(含自重)為0.5 kN/m2，屋面活載0.5 kN/m2，活載考慮半跨不利布置，吊掛荷載0.15 kN/m2，并考慮溫度荷載、風荷載作用、水平地震作用與豎向地震作用[4]。結構進場溫度為18 ℃，當地歷史最高溫度36 ℃，歷史最低溫度-13 ℃，由此求得溫度增量1為18 ℃，溫度增量2為-31 ℃。模型計算簡圖如圖3與圖4所示。

2.2 靜力分析結果

2.2.1 模態分析

方案一網架結構的第一振型為Y向平動，如圖5所示，自振周期為2.12 s；方案二立體桁架結構的第一振型同樣為Y向平動，如圖6所示，自振周期為2.45 s；說明方案一與方案二Y向剛度均較弱，方案一結構自重為520 t，方案二結構自重為517 t，根據T=(m/k)0.5,得k=m/T2，通過計算可得方案一結構剛度約為方案二結構剛度的1.34倍，說明方案一抗側剛度優于方案二結構抗側剛度[5]。

2.2.2 應力比

通過結構靜力分析可知，方案一與方案二強度與穩定應力比均能滿足規范要求；方案一與方案二所得結構強度應力比如圖7及圖8所示。方案一上弦桿截面(外徑、壁厚單位均為mm)為75.5×3.75，結構跨中部位上弦受力較大采用88.5×4；腹桿為76×4；下弦桿截面為89×4。方案二上弦桿多為75.5×3.75；個別受力較大的上弦桿采用108×4；腹桿為76×4，系桿為219×4與140×5兩種截面；下弦桿多為325×16。

由分析結果可知，結構設計滿足規范應力比的要求，方案二采用的上弦與下弦桿截面多數大于方案一上下弦所用截面。

2.2.3 結構豎向位移

方案一與方案二結構豎向位移較大的部位均位于跨中部位，如圖9與10所示，最大位移均在57 mm與68 mm之間。方案一網架結構贅余度多于方案二結構贅余度，方案一結構變形協調作用優于方案二，使得方案一屋蓋結構受力更加均勻，結構受力更加合理。

2.2.4 結構用鋼量統計

對方案一與方案二屋面結構用鋼量進行統計，方案一用鋼量為24.9 t，方案二為22.5 t。方案一用鋼量要多于方案二的用鋼量，相對于方案二，方案一約多用10%的鋼材。

3 靜力彈塑性分析

3.1 單調加載分析模型

為研究結構在豎向荷載作用下的響應[6]，利用midas Gen對方案一與方案二進行靜力彈塑性分析[7]，對梁、柱及桁架單元進行塑性鉸的定義，考慮幾何非線性的影響，采用位移控制的單調靜力加載模式，位移控制點均為屋蓋下弦正中部節點，將2.0恒載作為初始外加荷載，沿Z軸負方向由0逐漸加至-300 mm，由此得到方案一與方案二結構的荷載-位移曲線，如圖11及圖12所示。

3.2 彈塑性分析結果

通過結構荷載-位移曲線可知，在荷載比較小時，結構處于彈性階段。隨著荷載的繼續增加，網架結構與立體桁架結構的豎向剛度逐漸降低，結構屈服后，但承載力還在逐漸上升，達到最大承載力后，結構逐漸失去承載能力。

3.2.1 承載力

通過多荷載-位移觀察，可以確定結構屈服荷載值Fy與峰值荷載Fp，同時得到這些荷載相對應的位移值Δy與Δp。方案一與方案二結構各階段的荷載及對應位移值如表1所示。對比結果可知，方案一結構的承載力高于方案二結構的承載力。

表1 結構各階段的荷載及對應位移值

3.2.2 結構延性

結構延性也可稱為位移延性，是整體塑性變形能力的體現。延性好的結構，能夠充分利用材料的性能，韌性較好。結構延性的好壞可以通過延性系數μ來表示，計算公式如下

μ=Δp/Δy

方案一與方案二結構延性系數如表2所示。對比可知，方案一延性要優于方案二，在豎向地震作用下，方案一的塑性變形能力較強，抗震性能比較好。

表2 延性系數

4 結 論

分析表明，該項目網架結構和立體桁架結構設計均能滿足規范要求，在結構梁、柱布置相同的情況下，網架結構的抗側剛度要優于立體桁架，網架結構用鋼量相對要高出10%左右，立體桁架上弦與下弦截面要大一些。

網架結構結構變形協調作用優于桁架結構，網架結構結構受力更加均勻，受力更加合理。

網架結構的承載力高于桁架結構的承載力。同時網架延性要優于立體桁架，在高烈度地區或需要考慮豎向地震作用時，建議選用網架結構，塑性變形能力和抗震性能要優于立體桁架結構。