雙層柱面網(wǎng)殼及其支承結(jié)構(gòu)的位移控制

石剛 張力丹

（遼寧阜新經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧，阜新，123000）

雙層柱面網(wǎng)殼及其支承結(jié)構(gòu)的位移控制

石剛 張力丹

（遼寧阜新經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧，阜新，123000）

本文結(jié)合工程實(shí)例對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在無水平拉桿時，并且支承結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度較差的情況下位移控制及受力特性進(jìn)行了分析討論。闡述了網(wǎng)殼及其支承結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，整體空間受力特點(diǎn)，驗(yàn)證了實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。

雙層柱面網(wǎng)殼；支座水平推力支承結(jié)構(gòu)位移控制。

一、前言

阜新市實(shí)驗(yàn)中學(xué)風(fēng)雨操場位于阜新市中華路北側(cè)，整個校區(qū)的西南角，是阜新市中華路的一景，其新穎的造型體現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，風(fēng)雨操場館區(qū)平面尺寸42.7m×21m（見圖1），支承結(jié)構(gòu)采用二層鋼筋混凝土框架，屋面采用雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，矢高10m，沿縱向支承在二層框架柱上，一層為原有道路及自行車棚，二層為籃、排球等多功能操場，由于二層建筑功能需要，網(wǎng)殼下弦無法設(shè)置水平拉桿。二層柱較高（H=9.5m）（見圖 2）。抗側(cè)移剛度較差，網(wǎng)殼支座的水平推力對其影響較大，網(wǎng)殼自身的剛度問題以及如何控制柱頂位移是本工程所要解決的關(guān)鍵問題。

二、結(jié)構(gòu)選型

雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可選用正放四角錐體系、斜放四角錐體系、兩向或三向平面桁架體系以及三角錐體系等。考慮到該結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載市主要荷載，斜放三角錐不易發(fā)揮上弦桿件比下弦桿件短的特性，結(jié)構(gòu)剛度也較差，故不宜采用；兩向平面桁架特性的側(cè)向剛度較弱，而三向平面桁架體系及三角錐體系則需要較高的制作安裝精度，對于這種復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)更增加了難度。正放四角錐受力比較均勻，空間剛度較大，制作安裝較為簡便；而正放四角錐斜置圓柱面?zhèn)认騽偠让黠@增加，但內(nèi)力分布不均勻，支座處更為明顯，對于支座處不均勻沉降也比較敏感，用鋼量明顯增加。而對于拱桁架和網(wǎng)殼相比較，網(wǎng)殼的用鋼量要優(yōu)于拱桁架，綜上所述，該工程采用正放四角錐體系。

三、結(jié)構(gòu)分析

1、支承結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度對網(wǎng)殼受力性能的影響

支承結(jié)構(gòu)支座的實(shí)際剛度接近剛性時，支座的水平推力會增加許多。要求下部支承結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)移剛度；當(dāng)采用彈性支座時，雖然水平推力明顯減少，但跨中撓度卻明顯增大，使結(jié)構(gòu)的整體剛度有所降低，網(wǎng)殼的實(shí)際承載能力也會相應(yīng)降低。因此，支承結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度直接影響到結(jié)構(gòu)的剛度和安全。在設(shè)計時，應(yīng)保證支承結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗側(cè)移剛度符合計算假定，建立接近實(shí)際的邊界條件。

2、風(fēng)荷載對水平位移的影響

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)往往采用輕屋面，風(fēng)荷載作用在計算中所占比例較大，計算時應(yīng)充分考慮風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，不能忽略。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計

在工程設(shè)計中，由于受場地條件限制和建筑物使用功能等要求，支承結(jié)構(gòu)的二層框架柱較高（9.5m)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)無法設(shè)置水平拉桿，也無法設(shè)置有效的止推結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼的支座水平推力完全靠框架柱承擔(dān)。柱截面尺寸在正常情況下，產(chǎn)生的柱頂位移很大，很難滿足網(wǎng)殼支座法向約束的計算假定，在這種情況下，網(wǎng)殼的邊界支承條件更接近于彈性。當(dāng)把支座水平推力施加于柱頂并考慮風(fēng)荷載共同作用進(jìn)行支承結(jié)構(gòu)受力計算時，只有加大柱截面尺寸才能滿足網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計算假定。這樣又使使用功能受到限制，且很不經(jīng)濟(jì)。

本工程設(shè)計時，結(jié)合工程實(shí)際情況，查找有關(guān)文獻(xiàn)資料并咨詢有關(guān)專家。將支承結(jié)構(gòu)層間位移控制在合理、安全范圍內(nèi)（H/600）。對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其支承結(jié)構(gòu)作為一個整體進(jìn)行空間受力分析，最大限度地使計算假定符合實(shí)際支承條件，使網(wǎng)殼與支承結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。我們所采用的工程軟件是大型有限元分析軟件 Super SAP93。經(jīng)過多次試算和調(diào)整優(yōu)化，在滿足安全的前提下，盡量使支承結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼剛度相匹配，最終確定：網(wǎng)殼跨中厚度1.6m，支座處1.2m。支承結(jié)構(gòu)的柱截面尺寸500×1200mm。

荷載取值：結(jié)構(gòu)自重及屋面恒荷載qd,取0.3kN/m2；屋面活荷載ql, 取0.5kN/m2；基本風(fēng)壓取ω0=0.6 kN/m2；基本雪壓取s0=0.4 kN/m2。抗震設(shè)防烈度為6度，基本地震加速度為0.05g,場地土類別為Ⅱ類，考慮水平地震作用。

在這組參數(shù)下，柱頂位移及內(nèi)力分析結(jié)果如下：

1、柱頂最大側(cè)移：恒載作用下u1=6.8mm；活載作用下u2 =1.9mm；風(fēng)載作用下u3 =5.0mm。

組合：μmax= u 1+0.85（u2 + u3）= 6.8+0.85（1.9+5.0）

= 12.665mm ＜H/600=9500/600=15.833mm。

2、彎矩計算結(jié)果（推力方向）：

恒載作用下：Mx=436.3KN·m；活載作用下：Mx=167.0KN·m；風(fēng)載作用下：Mx=122.0KN·m

以上計算結(jié)果表明，無論從安全方面還是使用功能方面，均達(dá)到了相對比較理想的結(jié)果。

五、結(jié)論

1、該工程所采用的雙層柱面網(wǎng)殼不僅滿足了風(fēng)雨操場的使用功能要求，而且豐富了建筑造型，獲得了較好的效果。

2、多荷載工況下網(wǎng)殼的設(shè)計，應(yīng)注意力的傳遞路徑，設(shè)置桿件應(yīng)使傳力路徑簡捷、直接，同時盡可能使結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻。

3、雙層柱面網(wǎng)殼設(shè)計要全面考慮支承結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，不同的支承條件不能一概而論。工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)支承結(jié)構(gòu)抗拉側(cè)剛度的不同采取相應(yīng)的計算假定和計算方法及結(jié)構(gòu)措施，盡量建立符合實(shí)際的邊界條件，這樣才能在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下做到經(jīng)濟(jì)合理。

本工程從1999年建成使用到現(xiàn)在，使用狀況良好，不僅滿足了使用功能要求，也保證了城市總體規(guī)劃對該建筑物美觀的要求。

TU944

1674-3954（2011）03-0249-01