大跨度網架與下部支承結構協同作用分析

【摘要】隨著我國社會主義現代化建設的發展，建筑施工新工藝、新材料、新技術的不斷研發，對建筑的空間使用需求越來越高，關于大跨度網架的應用越來越廣泛，已逐漸發展為衡量一個國家或地區建筑科學發展水平的重要指標。而由于結構體系的多樣性和空間使用需求的提高，獨立的簡化模型與邊界條件已經不足以滿足設計需求，需要結合大型空間結構設計軟件進行整體協同分析才能更真實反映出結構實際受力特點。基于此，本文主要分析了大跨度網架與下部支承結構在地震作用下的協同工作。

【關鍵詞】大跨度網架；下部支承結構；協同作用

1、模型的簡化與有限元模型的建立

本文以3x36m大跨度，4x18m大柱距矩形平面組成的某廠房為分析對象（如圖1）。其中，該廠房網架結構的計算模型設定為空間鉸接桿系結構。結構所采用材料為線彈性、各向同性，并且其遵循靜力等效原則，將結構的外荷載集中作用于網架節點上。

圖1：某廠房網架結構簡圖

本文通過ANSYS有限元程序作出靜力與反應譜分析。其中，網架桿件與下部柱分別為空間桿單元、空間梁柱單元，建立了以下兩種有限元模型。

模型一：柱頭與網架通過鉸接形式實現連接，而柱底為固定約束，為整體計算模型。

模型二：對上部網架結構與下部支承結構進行分別計算，在進行網架計算時，不計入柱的彈簧剛度，計算以與柱相接處固定鉸支承為主。在進行下部支承結構計算時，橫梁剛度納入折算剛度與無窮大兩種情況。

2、吊車荷載參與組合下的比較分析

2.1 網架撓度

經計算結果得出，模型一與模型二的撓度變化規律無明顯區別。從整體上看，模型一相比于模型二，在網架跨度中撓度要高出10%～20%，其形成原因主要源自下部框架柱的彈性變形（見圖2）。

圖2：剖面下弦節點撓度曲線

2.2 網架桿件的內力

在AB、CD跨的上弦桿件內力方面，模型一計算與模型二相比，要低于5%左右，其上弦桿件主要承受壓力。在AB、CD跨的下弦桿件內力方面，模型一的計算結果相比于模型二，大約高出15%，其桿件主要受拉，并且在邊柱支承部分，出現個別下弦桿件的軸力變化狀況，表明模型二計算方式會形成網架部分下弦桿件的安全隱患。而在斜腹桿、BC跨的上、下弦桿方面，其桿件內力在兩種模型計算中無明顯差別。

2.3 框架柱的側移

在框架柱方面，通過平面排架（EI= ）、平面排架（ ）與空間整體體系三種方案進行計算比較。其中，以 為框架橫梁的折算慣性矩近似計算公式，y1、y2為網架在跨中處的上、下弦桿重心線分別至中和軸的距離， 為下部結構計算簡圖范圍內的網架上弦桿； 則為其網架下弦桿。經計算結果得出，在框架柱水平位移方面，相比于平面計算模型，空間計算模型的相應位移要更低一些。究其原因，主要為網架與下部柱空間的整體協同作用，形成的荷載分擔結果。而通過平面排架計算時，僅計算相應的柱列承受吊車水平荷載，致使其形成的側移結果變大。

3、地震作用下的比較分析

3.1 地震信息

該網架廠區建于7度地區，為Ⅲ類場地土，重力荷載代表值為結構50%活載與恒載組合，各振型阻尼比是0.02。在其地震作用分析中，采用反應譜法，并按照相關規定進行網架的豎向地震作用分析以及框架柱的水平地震作用分析。

3.2 網架在豎向地震作用下的撓度

通過對兩種模型的計算分析得出，在豎向地震作用下，受框架柱的變形影響，模型二的撓度要低于模型二15%左右，與上文分析中，吊車荷載組合作用下的結果一致（見圖3）。

圖3：剖面下弦點在豎向地震作用下的撓度曲線

3.3 網架下弦桿在豎向地震作用下的內力

在豎向地震作用下，模型一與模型二計算得出的網架上弦桿與斜腹桿在內力上，并沒有出現較明顯的變化。但在下弦桿方面產生影響較大，模型一與模型二相比，要高出10%左右（見圖4）。

圖4：剖面下弦桿的內力曲線

因此，在其分析中，必須考慮吊車荷載經通過柱對網架形成的作用，否則會形成模型二計算的網架下弦桿件的安全性不足。

3.4 框架柱在水平地震作用下的位移

通過三種不同方案的計算得出，在水平地震作用下，框架柱的水平位移，以空間整體作用計算的結果與平面計算結果并無較大區別。由分析得出，形成此結果的主要原因為地震作用在廠房中的均勻分布造成。

3.5 框架柱在水平地震作用下的彎矩

由三種不同計算方案得出，在水平地震作用下，相比于平面排架計算，通過整體計算的柱子彎矩要低出20%左右，其雖然在幅度上小于吊車荷載組合，但仍能為柱子設計帶來較大的經濟效益。

4、分析結果

在大跨度網架廠房設計中，通過整體模型計算在很大程度上降低柱子的彎矩與側移，有利于柱子設計，形成較大的經濟效益。而平面排架模型計算方式，由于未將空間工作納入計算中，使柱子設計截面擴大，進而增加了下部支承結構的用鋼量，成本花費較高。同時，避免了由于隔離體系分析造成的網架下弦桿可能受壓失穩的不利情況。在大跨度網架廠房設計中，為了使網架與柱聯結處桿件的應力峰值降低，可以在網架支承處沿邊界相應位置設置上弦、下弦交叉水平支撐。

參考文獻

[1] 宋林. 淺析多層大跨超長混合建筑結構設計[J]. 安徽建筑. 2014（04）

[2] 薛素鐸，劉毅. 大跨空間結構協同工作問題研究現狀及展望[J]. 工業建筑. 2015（01）

作者簡介：曾筱濤（1985.09-），男，籍貫：湖北省荊門市，現職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：結構工程。