某雙層球面網殼結構設計

李 放

(山西國電置業有限公司，山西太原 030002)

1 工程概況

該工程為某一體育場館的屋蓋工程，采用混凝土框架結構為其下部支撐，屋蓋采用波形網殼形式(如圖1，圖2所示)，以實現建筑形態的美觀和滿足建筑功能設計的需要?？臻g網格結構在均布荷載作用下其內力呈均勻的連續變化，即使是在集中荷載作用下，內力也能較快的分散傳遞開來。結構采用雙層施威德勒型交叉桁架球面網殼結構形式，通過徑肋把球面分為對稱的扇形曲面。在每個扇形面內，再由桿件和斜桿組成大小較均勻的三角形網格。通過層間豎向、斜向撐桿支承屋面結構，屋蓋跨度60 m，矢跨比為1/6。

圖1 圓形網殼俯視圖

2 計算簡圖

網殼結構說明見表1，計算模型見圖3。

3 設計依據

本論文參照工程建筑效果圖和下部結構施工圖進行設計，在建模計算上使用空間結構設計軟件3D3S，在做動力分析時使用鋼結構分析軟件SAP2000。設計依據相關結構設計規范:JGJ 7-91網架規范、GB 5017-2001鋼結構設計規范、GB 5009-2001建筑結構荷載規范。

圖2 圓形網殼側視圖

表1 網殼結構說明

圖3 圓形網殼計算模型

4 設計荷載

因為本工程為雙層球面網殼的形式，荷載取值根據網殼結構設計規范。由于此結構的建筑高度較大，設計時需要考慮地震荷載的影響。地震荷載的大小為根據GB 50011-2010建筑抗震設計規范［12］，地區為陜西西安，規范選取設防烈度為8度，地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組。建筑場地類別擬設為Ⅲ類。

在采用反應譜分析結構在地震作用下的反應狀況時，應該考慮結構阻尼的影響。此網殼結構阻尼比取ζ=0.02。計算荷載時按照國家標準GB 50011-2001建筑抗震設計規范確定內力設計值。結構設計基準期為50年。結構采用抗震設計，同時考慮施工時溫度對結構產生的影響，溫度的取值選取了－20℃～20℃的溫度荷載作用，通過上述的各種永久荷載和可變荷載及偶然荷載的組合作用，確定出結構的內力設計值。

5 結果分析

本結構在設計時首先采用鋼結構設計軟件3D3S對結構的動力特性進行計算，分析了結構的幾個震動模態;然后用SAP2000中的反應譜法計算地震力作用下結構的形態;最后考慮了在地震的水平力、豎向力和其他各種荷載的組合作用下，結構的桿件的內力大小以及構件的強度和穩定性情況。

1)動力特性分析。

2)結構振型分析。該結構為施威德勒型交叉桁架球面網殼，通過對其進行動力特性的模態分析，表2結構自振頻率描述出結構前9階振型的自振周期結果及振動形式。由結構自振頻率和振型分析可知，網殼結構頻譜相當的密集，既有水平振型也有豎向振型，兩者交叉出現，因結構的矢跨比較小，其模態形式接近平板網架的受力狀態，后面的振型也以豎向振型為主。第一振型和第二振型為平面外的彎曲，第三振型和第四振型為豎向振動，其他振型主要集中在平面外彎曲或是耦合振動形式。計算結果表明，結構第一振型周期為0.376 93 s，說明該結構的剛度較大，并且無扭轉振型，因而該結構設計能夠滿足使用要求。

表2 結構自振頻率

3)結構的靜力計算。主要計算在各種荷載的作用下，該設計結構的桿件內力和結構位移，并考慮地震力的作用與溫度荷載。通過計算各種荷載組合，得出網殼結構桿件的最大內力和結構的最大位移，如表3所示，結構桿件中單元的強度和穩定性見表4。

表3 結構各節點最大位移 mm

表4 “強度應力比”最大的前10個單元的驗算結果

表3和表4的計算結果表明:在各種荷載組合作用下，該結構各向節點最大位移能夠符合設計規范要求，該結構設計可滿足使用要求。

6 結語

通過對結構在各種工況下的受力分析得出:本結構的尺寸擬定和桿件布置形式均符合設計要求。結構中桿件的強度、剛度、穩定性均符合施工和運營狀態的要求。結果表明:從設計、施工和使用要求來看，該結構滿足要求。

［1］楊東溟，吳軍強.不同類型單層網殼的靜力穩定分析［J］.山西建筑，2013，39(29):41-42.