大跨度短撐桿式張弦桁架與網殼組合結構形式研究

肖旺輝 （中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064）

1 概 述

大跨度短撐桿式張弦桁架與雙曲柱狀網殼組合結構是一種新型的大跨度空間結構。將張弦桁架與網殼結合使用，通過設置張弦桁架將網殼的跨度由小到中小跨度范圍為25m～40m，該大跨度新結構體系既降低了屋蓋系統的用鋼量，又解決了張弦桁架平面外的支撐問題，從而使屋蓋系統由擬梁結構單純的圍護到集圍護結構與承重結構一體，并可做到應用單層網殼、局部單雙層網殼、雙層網殼和弦支網殼等結構。

目前對該結構體系的研究較少，對該新結構體系的研究和設計而言，做相關的研究是有必要的。本文詳細介紹該新結構體系的分類并采用有限元分析方法，為這種結構體系應用提供參考。

2 大跨度短撐桿式張弦桁架與單層雙曲柱狀網殼組合結構的靜力分析

圖1 短撐桿式張弦桁架與單層雙曲柱狀網殼組合結構立面圖

2.1 計算模型

某建筑要求屋蓋為120m×120m，短撐桿式張弦桁架跨度為L1=120m,桁架上弦寬度為4m，矢高為5m，垂度為3m，預應力鋼索垂度為5m，共采用5榀短撐桿式張弦桁架。單層雙曲柱狀網殼采用單向斜桿正交正放網格，單層網殼跨度L=26m，矢高5.2m。

2.2 計算分析參數

單層網殼桿件和短撐桿式張弦邊桁架桿件都采用MSTCAD進行滿應力計算分析并配桿導入ANSYS10.0計算分析。鋼材的彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，密度為7.85t/m3。預應力鋼索采用1670級高強鋼絲索，規格為PESC5-409，外包雙層PE。拉索的彈性模量為2.0×105N/mm2，泊松比為0.3，密度7.8 t/m3。鋼索的面積為0.01123m2，算例鋼索初始預應力為4492kN，即初始應變為0.002。屋面恒荷載為0.4kN/m2，機電管線和吊頂0.1kN/m2；屋面活荷載為0.3 kN/m2。荷載工況組合：1.2恒＋1.4活+1.2自重+1.0預應力。

通過ANSYS10.0有限元軟件分析可知：桁架跨中撓度最大為282mm，最大撓跨比1/425；網殼頂點（網殼頂點的豎向位移值是相對桁架的位移值，屋蓋結構變形向下為正，向上為負）變形為36mm，最大撓跨比1/425；中間桁架滑動支座位移18m。都滿足《鋼結構設計規范》(GB 50017-2003)和《空間網格結構技術規程》(JGJ7-2010)桁架最大撓度容許值為跨度的1/250的規定。結構體系安全儲備大,桁架滑動支座的位移Y軸正向18mm，結構施工時支座應該注意預留空間，同時查看有無加荷載和上述工況下的張弦桁架桿件受力情況。整體結構在外荷載作用下，桁架上弦桿、腹桿、撐桿的軸壓力明顯增加；下弦桿由原來受壓變為受拉，說明外荷載的改變會引起下弦桿件的受力變化；鋼索的軸拉力變大是由于結構外荷載增，結構的豎向撓度變大引起被動預應力增加。網殼桿件的最大拉力和最大壓力都增大，是由于外荷載較大引起的。

圖2 荷載工況下的Z向撓度云圖

3 結 論

本文提出的大跨度短撐桿式張弦桁架與雙曲柱狀網殼組合結構是一種新型的雜交大跨度空間結構體系，可做到應用單層網殼、局部單雙層網殼、雙層網殼和弦支網殼等結構。通過有限元分析，該新型雜交大跨度空間結構體系的安全儲備大，受力合理，并降低了屋蓋系統的用鋼量。