空間網架結構設計參數研究

林 治 民

(長沙經濟技術開發區項目開發建設管理有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

空間網架結構使用范圍較廣，一般而言，其下部為混凝土框架結構或框架—剪力墻結構。其下部支承結構多為混凝土框架結構或框架—剪力墻結構。將不同材料特性結構分開設計會導致設計參數存在較大的差異，現行常用設計軟件Pkpm建模時常采用網架簡化整體式方法建模，而網架結構簡化模型不同，平面內和平面外的剛度貢獻亦不同，水平荷載及豎向荷載作用下不同網架簡化模型對下部支承結構的設計參數影響較大。因此，對于上部為鋼網架，下部為混凝土框架的結構采用整體式方法設計時，探究網架簡化模型對下部混凝土支承結構抗震性能參數的影響是保證工程安全亟需解決的問題。

本文考慮上部鋼網架與下部混凝土結構之間的相互作用，利用Pkpm和Midas兩種不同的計算軟件分別建立模型，探討網架結構不同建模方式對設計參數的影響，并對設計參數進行比較分析。

1 工程簡介

某職業技術學院位于株洲，其風雨操場為一典型大跨輕鋼網架結構，結構長59.1 m，寬35 m，總高18.8 m，結構總體特征為大跨，大懸挑(側向最大達8.16 m)，下部看臺為混凝土框架結構，上部網架為鋼結構，效果圖詳見圖1。

2 工程分析

2.1 Pkpm與Midas建模分析

Pkpm建模過程中，由于不能真實建立網架與下部主體結構的協同工作特性，工程實際常用簡化計算方法，上部網架單獨設計，把網架支座內力輸入到下部混凝土框架結構柱頂，同時設置剛性桿模擬其平面內和平面外的剛性，整體模型詳見圖2。

Midas作為一種結構有限元分析軟件，可建立空間網架結構整體模型，計算其在水平荷載及豎向荷載作用下的設計參數，且能真實計算平面內和平面外剛度對下部混凝土框架結構設計參數的影響。同時考慮下部混凝土框架結構對上部鋼網架結構的影響，更貼近網架結構實際受力情況，計算結果也更為準確，整體模型詳見圖3。

2.2 Pkpm與Midas計算振型(模態)參數分析

通過分析Pkpm和Midas建立模型的前兩個振型(模態)，可知Pkpm第一振型(變形沿長度方向,如圖4所示)顯示網架結構受力變形最大的部位為看臺頂平面位置的兩端，而Midas第一模態(變形沿長度方向，如圖5所示)顯示網架結構受力變形最大的部位為看臺頂平面位置的斜撐端，另一側變形特性明顯偏小；Pkpm第二振型(變形沿寬度方向，如圖6所示)顯示網架結構受力變形最大的部位為看臺懸挑端，上部柱頂位置變形量較小，而Midas第二模態(變形沿寬度方向，如圖7所示)顯示網架結構受力變形最大的部位為網架及下部混凝土框架懸挑端與網架連接部位。由此可見，Pkpm和Midas反映的網架結構變形特征存在較大差異，而Midas的變形特征更貼近網架結構實際變形特征。

2.3 Pkpm與Midas計算配筋(懸挑端)參數分析

通過分析Pkpm和Midas計算模型端部懸挑梁配筋可知，梁截面、水平荷載及豎向荷載均相同的條件下，Pkpm計算配筋為3 000 mm2,而Midas計算配筋為5 491 mm2，兩者相差1.8倍，考慮實際配筋主要由水平地震力控制，發生設防地震，如按Pkpm計算結果設計配筋，則此處梁端節點將有率先破壞的安全隱患。

2.4 Pkpm與Midas計算位移參數分析

通過分析Pkpm和Midas相同工況下樓層位移比可知，Pkpm最大位移比(如表1所示)位于第1層，數值為1.58；Midas最大位移比(如表2所示)也位于第1層，數值為1.393，兩者相差1.13倍，且Pkpm位移比隨層數存在數值突變情況，與網架結構變形特征不符，而Midas位移比隨層數變化更為均勻合理，更符合工程實際變形特征。

表1 Pkpm位移比

工況1 X方向風荷載作用下的樓層最大位移FloorTowerJmaxJmaxDMax-(x)Max-DxAve-(x)Ave-DxRatio-(x)Ratio-DxhMax-Dx/hDxR/DxRatio-Ax511 1271 1320.930.070.810.071.141.002 8001/9 99966.00%0.83411 0841 0890.860.140.740.141.161.013 6001/9 9996.10%1.38315825820.720.150.580.131.241.183 6001/9 99927.00%1.07214874870.570.050.460.041.251.151 0001/9 99933.70%1.171199990.520.520.330.331.581.586 0001/9 99999.90%1.26注:X方向最大值層間位移角:1/9 999

表2 Midas位移比

2.5 Pkpm與Midas樓層受剪承載力參數分析

表3 Pkpm樓層受剪承載力

通過分析Pkpm和Midas相同工況下樓層受剪承載力可知，Pkpm計算結果(如表3所示)：薄弱層位于第1層，根據《建筑抗震設計規范》3.4.4條，將第1層的樓層地震剪力放大1.15倍；Midas計算結果(如表4所示)：薄弱層位于第3層，即與網架相鄰框架結構柱頂位置。通過分析下部混凝土結構布置可知，Pkpm計算結果與實際情況背離，存在較大計算誤差，而Midas計算結果與實際情況基本相符。

表4 Midas樓層受剪承載力

3 結語

1)空間網架結構的整體振動要考慮上部鋼結構網架和下部混凝土框架結構的協同性，建立的模型要真實反映兩者的變形特征，如計算模型不能模擬網架平面內、外的剛度特征，則計算結果會出現較大的差異。

2)空間網架結構如分開計算，則下部混凝土結構和上部鋼網結構變形較大的部位會出現偏差，特別是懸挑部位、上下部結構相連部位，設計參數會出現較大的誤差，并直接影響結構安全。

3)上部鋼結構分開計算，下部混凝土柱頂輸入鋼結構節點內力，并采用剛性桿連接模擬鋼網架平面內剛度，整體計算結果存在較大誤差。因為，上部鋼結構網架與下部混凝土結構柱會產生協同變形，而剛性桿平面內剛度無窮大，平面外剛度為零，導致計算結果中樓層薄弱層、位移比等計算參數失真，計算結果無法與工程實際相符，特別是較大水平荷載作用的工況，結構存在較大的安全隱患。

4)空間網架結構如分開計算，則下部混凝土和上部鋼網架結構不能真實反映兩者的支座約束情況，導致計算結果與工程實際出現較大誤差，實際工程設計中應重點予以考慮。