基于3D3S大通縣某煤棚網架結構設計驗算

陳國軍 毛少霞 張雪云

（甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

隨著社會的不斷發展變革，人們對于建筑設計施工的追求要求更加完美，希望施工方便快捷，建筑結構美觀、空間大、節能環保可持續等。為此，空間網格結構應運而生，空間網格結構幾乎滿足了人們對大跨度、施工快捷方便、效率高等一系列要求。網架結構實際工程應用越來越廣泛，例如會堂、影劇院、展覽館、車站、碼頭、候機大廳等公共建筑[1-2]。相關學者[3-6]對于網架結構的研究已然成為熱點。對于網架結構的設計計算，普遍采用的方法為有限元數值計算法，如ANSYS、MST、3D3S等[7-10]。通過對建筑物空間網架結構進行有限元建模，對所構建的網架結構有限元模型支承性能進行分析[11-13]，驗算結構受力的合理性，優化結構桿件截面，選擇最優用鋼量。

1 工程概況

擬建煤棚場地位于青海省西寧市大通縣朔北鄉下吉哇村原705 廠內，交通便利，汽車可直達場地。擬建場地地貌單元屬山前斜坡地帶，場地開闊，地形起伏變化大，地勢北高南低、西高東低。孔口地面高程2501.90m~2521.87m，相對高差為19.97m。建筑高度13.8m，建筑平面尺寸89.3m×53m，總建筑面積4543.9m2。總平面布置如圖1所示。

圖1 總平面布置圖

根據《建筑與市政工程抗震通用規范》（GB 55002-2021）及《建筑抗震設計規范》（GB 50011－2010），擬建場地抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組屬第三組，建筑場地類別為Ⅱ類，設計特征周期值為0.45s，水平地震影響系數最大值0.08。

根據場地踏勘、場地勘探及周邊建筑經驗，場地地基土主要由第四系：①1層雜填土（Q4ml）、①2層素填土（Q4ml）、②層黃土狀土（Q4dl+pl）、③層卵石（Q4dl+pl）、④層飽和黃土（Q4dl+pl）、⑤層淤泥質土（Q4dl+pl）、⑥層卵石（Q4al+pl）、⑦層粉土（飽和）（Q4al+pl）、⑧第三系層強風化砂礫巖和⑨層中風化砂礫巖組成，其巖性特征描述如表1所示。

表1 土層名稱及特征

2 3D3S計算分析

3D3S軟件在鋼結構和空間結構設計領域具有獨創性，填補了國內該類結構工具軟件的一個空白，是基于桿系和膜板殼單元的三維結構有限元分析軟件。3D3S的桿系單元包括桿單元、梁柱單元和索單元。3D3S 將樓板、剪力墻和膜等簡化為三維面單元，包括三角形殼元、四邊形殼元和三角形膜元。

空間網格結構是空間結構的一種，也是我國空間結構中發展最快、應用最廣的結構形式。它是將桿件按一定規律布置，通過節點連接而成的一種空間桿系結構，包括組合網格結構（含組合網架和組合網殼結構）、立體桁架（拱架）、張弦立體拱架等形式。網架為按一定規律布置的桿件通過節點連接而形成的平板型或微曲面型空間桿系結構，主要承受整體彎曲內力，網架結構如圖2所示。

圖2 網架結構圖示

2.1 網架結構建模

應用3D3S 2020進行該煤棚網架結構建模，選用網架網殼模塊里面的網架網殼進行建筑結構建模。網格形式采用四邊網格技術，根據煤棚尺寸建立網架模型，如圖3所示。支座形式選用彈性約束，根據懸臂柱剛度導入。按照屋面排水要求，采用雙面排水方式，起坡5.0%。荷載施加，上弦恒載0.6、活載0.5、風載0.4、下弦活載0.3 進行荷載組合，荷載分配至節點如圖4 所示。本模型共生成節點總數595個，單元總數2240個，最大桿長（單元1675）5.223m，最小桿長（單元861）3.750m，桿件材性Q355B，總用鋼量101138kg。

圖3 煤棚網架結構建模

圖4 荷載分配節點圖

2.2 計算結果及分析

2.2.1 振型分析

地震力計算方法采用振型分解法，其前9階振型變化如表2所示。其中，一、二、九振型如圖5所示。結構振型大致可以分為水平振型和豎向振型兩大類，網架作為空間網格結構以豎向振型為主。從振型圖可以看出，各振型頻譜比較密集，且可能存在重根現象，周期與邊界條件相關。上、下弦桿豎向地震內力分布規律為邊緣小中間大，腹桿地震內力分布比較復雜。

表2 各振型周期結果

圖5 典型振型圖

2.2.2 軸力分析

根據計算得出，在不同荷載組合情況下單元996及998 軸力最大值為1076.6kN，單元447 與448 軸力最小值為-1032.3kN。網架結構主要以桿件受壓為主，從圖6可以看出，此網架軸力最大最小構件皆位于整個網架的中部位置，這與網架結構的跨度大小息息相關，當網架跨度過大時，中部位置受力較大，四周支撐約束減弱。因此，加強中部構件桿件的材性及截面大小對于提升整體網架穩定性具有重要意義。

圖6 軸力構件顯示圖

2.2.3 位移分析

網架結構位移包括水平位移和豎向位移兩類，本模型重點研究其豎向位移，即撓度。由最大正、負位移圖（圖7）可知，四周邊緣支座因約束作用位移最小，幾近于0mm，隨著邊緣向網架結構中心的變化，位移逐漸增大，至中部位置位移最大，為119.6mm 和136.9mm。位移越大，對結構安全性及穩定性越不利，因此，有必要限制整體位移的大小。

圖7 網架位移圖

2.2.4 應力分析

根據計算分析模型進行規范檢驗，檢驗結果表明，結構能夠滿足承載力計算要求，應力比最大值為1.00。圖8為模型總體應力比分布圖，圖9為桿件應力比分布圖。由應力比分布圖可知，各桿件應力分布均勻合理，即桿件受力符合設計要求。

圖8 桿件應力分布圖

圖9 桿件應力比分布圖

3 結語

應用鋼結構網架網殼分析軟件3D3S 對大通縣某煤棚網架結構模型進行有限元數值計算分析，以本模型相關工程條件據此得出以下結論：

（1）在地震作用下，地震內力分布規律為邊緣小跨中大，網架的前三階周期為T1=0.5505s，T2=0.4978s，T3=0.4950s。

（2）在各種荷載組合情況下，網架結構最大位移為136.9mm，小于短跨的1/250，滿足剛度設計要求。

（3）桿件截面形式采用圓管截面，選用Q355B類鋼材滿足強度、穩定性、抗剪、圓管徑厚比等基本要求。

（4）在不同荷載組合情況下，軸力最大值為1076.6kN，中部位置軸力最大，四周軸力小。該網架結構用鋼量為23.73kg/㎡。