某仨連體型開口單層球面網殼的設計與研究

鄒國勝

(浙江綠筑建筑系統集成有限公司上海分公司， 上海 200233)

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某仨連體型開口單層球面網殼的設計與研究

鄒國勝

(浙江綠筑建筑系統集成有限公司上海分公司， 上海 200233)

【摘要】針對某仨連體型開口單層球面網殼，對殼體分別采用肋環型、肋環斜桿型、扇形三向網格3種分割方法進行設計并對其進行對比研究。文章對連體型單層開口球面網殼的設計有一定的參考價值。

【關鍵詞】單層球面網殼；開口型網殼；連體型；設計；研究

1工程概況

工程共有3 個單層半球面網殼結構，球體直徑為20m、20m、24m，中間采用梁柱體系連接，中間部分按建筑要求無落柱，如圖1～圖3所示。抗震設防烈度為8度(0.2g)，場地的基本風壓為0.45kN/m2，地面粗糙度為B類。工程采用獨立基礎，為了保證基礎能夠抵抗殼體的水平推力，地梁采用環形閉合地梁。殼體部分采用玻璃幕墻、中間部分采用直立鎖邊金屬屋面系統，屋面系統質量較輕。

圖1　肋環型計算模型

圖2　肋環斜桿型計算模型

2結構體系與結構特點

一般的單層網殼結構多為完整性網殼，在底層設置立柱形成人口門洞。本工程由于建筑造型的要求，在中間處采用梁柱體系，中間不落柱。在每個網殼的連體側，有個大開洞，洞高約4.0m，洞長約12m，如果不采取補強措施，結構難于成立。由于建筑造型及防水的需要，中間部分標高必須和3個網殼的一個環向網格在一個標高處，這樣有利于防水，(圖1～圖3)，每個單層網殼設7～8個支座。對單層網殼，分別用肋環型(圖1)、肋環斜桿型(圖2)、扇形三向網格型(圖3)3種網格類型，并考慮在不同約束情況下(鉸接及剛接)，各種結構的性能對比。對于整體規則，結構獨立的半球面網殼結構而言，其受力對稱均勻合理，是一種比較理想的空間受力體系，曹正罡[1]、周飛[2]、劉峰[3]等對此結構進行過相應的研究。但對于不規則的球形網殼結構，研究則比較少，只有景輝[4]、陳慶軍[5]等進行過研究。但對連體型網殼結構，筆者沒有找到相應研究。

3計算相關參數

結構采用MidasGen2014軟件進行計算分析。計算主要考慮了恒荷載D=1.0kN/m2，活荷載0.5kN/m2，風荷載(基本風壓W0=0.40kN/m2)，風振系數取1.3，溫度作用按±30°考慮，設防烈度為8度(0.2g)，場地類別為二類。

4結果分析與研究

本文采用3種模型進行對比，分別為肋環型、肋環斜桿型、扇形三向網格3種網格。為了對3種網殼結構進行對比，3種結構形式盡量采用相同的截面，如表1所示。

表1　三種網殼形式截面

4.1恒活荷載作用下的內力反應

在恒荷載的的作用下，結構的內力反應(軸力：Fx)如圖4所示。從圖4～圖6可以看出，內力圖呈椰樹狀分布，在主肋(即在徑肋有支座處)內力最大；但是椰樹狀分布的形態，肋環型最為明顯。

圖4　肋環型網殼結構在恒荷載作用下軸力

圖5　肋環斜桿型網殼結構在恒荷載作用下軸力

圖6　扇形三向網格型網殼結構在恒荷載作用下軸力

肋環型、肋環斜桿型、扇形三向網格在剛接和鉸接兩種情況在恒載、活載作用下殼體處產生的最大內力見表2。

從表2 可以看出，支座條件是鉸接還是剛接對結構的線性計算結果影響很小。

4.2溫度作用的影響

工程總長度不是太長，但通過計算發現，在溫度作用下，有些結構溫度作用下影響較大，如圖7～圖9 所示，內力比較如表3 所示。

表2　三種網格形式剛接鉸接情況下在

圖7　肋環型在溫度荷載作用下軸力

圖8　肋環斜桿型在溫度作用下的軸力

圖9　扇形三向網格型在溫度作用下的軸力

殼體網格類型支座情況最大內力/kN網殼最大水平位移/mm肋環型剛接547鉸接548肋環斜桿型剛接2245鉸接2265扇形三向網格剛接2444鉸接2314

從表3可知，肋環斜桿型、扇形三向網格在溫度作用下的內力比肋環型大的多。可見肋環斜桿型、扇形三向網格的側向剛度比肋環型大。

4.3自振周期的對比

3種網殼結構自振周期如表4 所示。

表4　各情況下結構自振周期對比　s

從表4可以看出，3種類型的自振周期，鉸接情形的比剛接情形的自振周期略大，說明結構鉸接情形下結構更柔；另外，從3種類型來看，按自振周期從大往小依次為扇形三向網格、肋環型、肋環斜桿型，說明3種結果的剛度從小到大依次為扇形三向網格、肋環型、肋環斜桿型。

4.4整體線性穩定的分析

對于不規則的球形網殼，門洞的設置肯定會對結構的穩定性產生不利影響。在恒載和活載作用下，對結構的特征值屈曲進行分析研究。

屈曲分析的特征值方程為：

式中：λ為特征值；{ψ}為特征向量；[K0]為彈性剛度矩陣；[Kσ]為幾何剛度矩陣。經過計算，3種結果在恒活作用下的屈曲因子如表5所示。

從表5可以看出，3個結構均屈曲因子較大，且有規律。3種分隔方式在剛接作用下的屈曲因子比鉸接情況下更大；屈曲因子大小按照扇形三向網格、肋環斜桿型、肋環型3種分隔方式遞減。

表5　各情況下結構在恒活下的線性屈曲因子

5結論

(1)本結構在3種網格劃分下在恒活荷載作用下的與結構支座是鉸接和剛接關系不大。

(2)肋環斜桿型、扇形三向網格的側向剛度比肋環型大。

(3)按自振周期從大往小依次為扇形三向網格、肋環型、肋環斜桿型，說明3種結構的剛度從小到大依次為扇形三向網格、肋環型、肋環斜桿型。

(4)結構的屈曲因子均較大，且屈曲因子大小按照扇形三向網格、肋環斜桿型、肋環型3種分隔方式遞減。

參考文獻

[1]曹正罡，范峰，沈世釗.單層球面網殼的彈塑性穩定性[J].土木工程學報，2006,39(10):6-10.

[2]周飛，宛樹旗.單層網殼結構穩定性分析[J].國外建材科技，2007，28(3):119-122.

[3]劉峰，李麗娟.空間網殼結構的穩定性分析[J].華南理工大學學報:自然科學版，2003，31(S1):26-29.

[4]景輝，楊會杰，金來建，等.榆林科技館單層帶缺口球形網殼結構設計[J].建筑結構，2010，40(12):86-88.

[5]陳慶軍，賀盛，陳映瑞，等.某切邊不規則單層凱威特球形網殼結構設計與研究[J].建筑結構，2014，44(12):68-73.

[作者信息]鄒國勝(1982～)，男，本科，工程師，從事結構設計工作。

【中圖分類號】TU311.3

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-03-12