某復雜網架的結構設計

■凌 江 ■深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東 深圳 518000

1 工程概況

某復雜網架平面尺寸為78米×25米，采用正放四角錐網架形式，屋面為隱框玻璃，如圖1、圖2網架建筑效果圖、網架正立面、側立面圖。網架共設有6個支座，側立面中右側四個支座位于混凝土建筑的屋面，中部三個支座分別為兩側兩個三角形桁架及中部空間三角形裝飾桁架，支座直接落于地面轉變為兩個支座。網架側平面懸挑14米，支座間Y向跨度11米。

圖1 建筑效果圖

圖2 網架正立面、側立面圖

建設地點抗震設防烈度地震烈度為七度，地震分組為第二組，加速度為0.15g;50年重現期基本風壓:0.80kN/m2，不考慮雪荷載，地面粗糙度類別:C類，場地類別為:II類。

1.1 結構體系

1.1.1 網架特點

網架造型新穎，但對于結構來說難度較大，網架設計有以下幾個特點:(1)支座落差大(22.4米)，一邊支座位于地面、一邊支座位于混凝土結構屋面，受水平地震影響敏感。(2)屋面懸挑大，懸挑距離為14米，網架根部高度3.0米，跨高比4.67。(3)網架為敞開式結構體系，建設地點風荷載大，風荷載工況復雜。(4)網架低區支座立面呈w型，下面兩個支座轉換到網架變為3個支座，支座節點受力復雜。

1.2 網架考慮荷載工況及組合

結構計算設計荷載包括:自重荷載、活荷載、風荷載、溫度荷載、地震作用。

設計考慮主要荷載基本組合為:

1.20 D+1.40L

1.35 D+0.70×1.40L

1.20 (1.00)D ±1.40W

1.20 (1.00)D ±1.40T

1.20 (1.00)D±1.40W+0.60×1.40T

1.20 (1.00)D±1.40T+0.60×1.40W

1.20 (1.00)(D+0.50L)±0.2×1.40W+1.30Ehk+0.50Evk

1.20 (1.00)(D+0.50L)±0.2×1.40W+0.50Ehk+1.30Evk

其中D:恒載;L:活載;W:風載;T:溫度;Ehk:水平地震;Evk:垂直地震。括號中數值為恒載有利時取值。

1.3 網架支座設計

結構設計中地面支座位置設計為鉸接節點，地面支座的位置存在多桿件交匯，設計采用800mm直徑鋼半球連接各個交匯桿件，其中交匯桿件存在搭接節點;屋面支座采取剛性節點，網架下設置剛度較大的箱型截面柱與屋面連接，在網架與箱型連接位置采取空間桁架過渡，增加鋼柱與網架整體間的抗彎剛度。另外考慮網架結構整體抗側性能較弱，在中部三角形桁架與混凝土結構間設置連接件。增加結構抗側安全儲備。

1.4 網架主要桿件截面

網架支撐W桁架，兩側為截面為三角形的管桁架結構，三角形邊長為1200mm，桁架主管件采用299mm的鋼管。中部三角形桁架邊緣構件采用325～500mm直徑鋼管，桁架中部采用豎向桁架將三角形邊緣桿件聯系成空間結構。網架底部與W桁架連接位置采用焊接空心球節點，球直徑為1000mm，壁厚35mm。

整體網架采用正放四角錐螺栓球節點網架形式，根據結構受力特點網架中部高度為3米，端部高度為1.5m，桿件直徑規格168mm～245mm。

2 結構計算分析

結構分析采用國際通用有限元軟件Sap2000，網架及桁架桿件以桿元模擬，網架桿件計算采用兩端鉸接、桁架支管采用兩端鉸接、兩端剛接分別計算。

2.1 計算分析

結構前三周期分別為1.14s、1.01s、0.58s，前兩周期為平動，第三周期為豎向振動。周期計算采用特征周期法，計算振型數為60個，X、Y、Z三個方向質量參與系數均大于90%。

計算分析中，考慮結構高低支座易引起鞭梢效應問題，對整體鋼結構采用放大3倍水平地震力考慮(參照抗規［1］5.2.4條)。風荷載屬于本工程主要控制荷載，對于網架部分考慮風荷載向上風壓的體形系數為2.0(參照荷載規范［2］8.3.3)。溫度荷載考慮±20°。

分析可知，網架在自重標準組合下最大豎向變形在懸挑末端為95mm(1/147)，大部分為恒載下變形，通過結構起拱處理。風荷載標準組合下最大變形同樣位于懸挑末端為67mm(1/209)。

網架中桿件最大應力比位于桁架支撐點附近，應力比為0.73，網架立柱最大應力比為0.78?？傮w構件應力比水準控制在0.8以內?？刂茟Ρ戎饕r為風荷載工況及地震組合工況。

2.2 屈曲分析

屈曲分析主要按第一類穩定問題分析，第一類失穩:又稱平衡分岔失穩、分枝點失穩、特征值屈曲分析。結構失穩時相應的載荷可稱為屈曲載荷、臨界載荷、壓屈載荷或平衡分枝載荷。

計算中考慮幾何初始缺陷，即以自重作用(或其他工況)下的第一屈曲模態作為初始缺陷，缺陷最大值考慮跨度的1/300(空間網格結構技術規范4.3.3)［3］，計算分析考慮幾何非線性(P－Δ效應)。

在Sap2000中先計算自重作用下的第一屈曲模態，將計算得出模態的變形導出到電子表格中按1/300的目標要求重新修改各個節點的坐標值，其后將新的坐標值重新導入進Sap2000模型，即完成初始缺陷的重新坐標賦值。其后再設置Bucking工況［3］進行屈曲分析。

計算分析第一模態屈曲因子為9.26，風荷載工況下第一模態屈曲因子為8.19，均大于規范要求限值4.2［4］。桿件屈曲位置位于中部三角形桁架邊緣桿件。

2.3 重要節點分析

本工程桁架支座節點為受力最大，也是最復雜節點。共有6根桿件交匯，三根299mm桿件、兩根325mm桿件、一根500mm桿件。其中四根桿件存在交匯。節點交匯位置設置1000mm直徑空心鋼半球連接至基礎埋件，空心鋼半球壁厚35mm，半球內部設置沿管件軸線方向加勁板，并使加勁板與支座鋼板焊接。

節點分析采用sap2000軟件，將所有桿件以四邊形殼單元模擬，節點半球及內部加勁板也采用殼元模擬，所有接觸面均采用節點擬合，搭接管與被搭接管位置直接裁剪，以符合實際情況。單個殼元尺寸不大于50mm。節點分析模型采用嵌于整體模型中的方式，殼元邊界與桿元邊界采用體束縛方式擬合。

節點模型及分析結果詳圖3，分析結果可直接選取計算組合工況，通過對比支座最大應力控制工況為1.35D+0.98L，應力集中在管桿件邊緣位置，最大米塞斯應力為275N/mm2，滿足材料強度要求。

圖3 節點分析模型及計算結果

3 結語

通過計算分析該網架結構計算符合規范要求，并留有一定安全儲備。對于類似工程設計建議特別關注以下幾點:(1)分析并找出最不利荷載控制工況，以及找出結構中關鍵構件、關鍵節點所在;(2)復雜結構應進行屈曲分析，找出屈曲薄弱位置，并適當進行加強;(3)關鍵節點應進行節點有限元的分析，對節點受力有直觀認識并優化設計。

［1］GB50011－2010.建筑抗震設計規范［S］.

［2］GB50009－2012.建筑結構荷載規范［S］.

［3］Sap2000.中文使用指南［N］.

［4］JGJ7－2010.空間網格結構技術規范［S］.