大跨度柱面網殼結構設計要點

袁耀明

[摘要]鋼鐵企業的露天原料廠很多不符合當今我國的環保要求，所以需要新型的符合環保要求的原料廠來替代。由于生產工藝限制，封閉結構必須滿足空間大跨的要求，大跨度柱面網殼以其優異的空間大跨的結構性能，本文將重點闡述該結構形式的優勢及設計要點。

[關鍵詞]大跨度;網殼;空間結構

文章編號：2095-4085（2019）03-0032-01

1概述

大跨度柱面網殼結構該結構形式具有三維受力特點，該結構為超靜定結構，如果出現某桿位置失效，大跨度柱面網殼結構可以通過內力的調節，重新達到穩定，安全度較高。交匯于節點處的桿件相互支撐，增強了結構的穩定性，也具有一定的抗震能力。該結構還有節約材料，安裝方便，空間剛度大，適于工業化生產等優點。該結構形式是近半個世紀以來應用最廣的一種空間結構。

2設計方法

大跨度柱面網殼結構，無論采用哪種節點，荷載都在節點上，構件內力僅為軸向拉力和壓力，由節點剛度引起的桿件彎矩很小。按照空間桿系結構進行計算，桿件之間的連接假定為鉸接，忽略節點剛度的影響和次應力引起的桿件內力變化。受荷后網格結構位移很小，屬于小撓度范疇，不必考慮因撓度所引起的結構幾何非線性;另外結構設計時鋼材處于彈性階段，不必考慮材料的非線性，這樣大大縮短了結構計算時間。

傳統計算方法分為兩類，一類是連續化假定，一類是離散化假定。連續化假定已很少采用;離散化假定也就是通常所說的有限單元法，這種方法首先將結構離散為各個單元，在單元基礎上建立單元節點力和節點位移之間的基本方程，以及相應的單元剛度矩陣，然后利用節點平衡條件和位移協調條件建立整體結構節點荷載和節點位移關系的基本方程，及其相應的總體剛度矩陣，通過引入邊界約束條件求解出節點位移，再由節點位移計算出桿件內力。

復雜的網架結構桿件數量多，計算量大，需要輔助設計軟件進行計算，目前國內空間結構輔助設計軟件有3D3S，SFCAD，MST及SAP2000，其中3D3S在建模與模型編輯，荷載添加，構件分析驗算，后處理，節點設計等方面均有獨特優勢，作為主要的輔助設計軟件，用SAP2000進行校核驗算。

3案例分析

以某封閉料場進行案例分析，案例概況：三心圓柱面網殼由三心圓擬合而成，中部以半徑為63m的圓弧進行12等分，每等分3.51m，兩邊以半徑為31m的圓弧進行11等分，每等分3.485m，大小圓在相交點相切，為減小水平推力，兩小圓弧與基礎頂面正交，網殼厚度為3m，最終模型凈跨77m，外包尺寸83m，矢高為32.75m。

網殼計算參數：沿網殼面均勻分布的檁條及屋面板等恒荷載：0.25kN/m2;活荷載0.5kN/m2;基本雪壓0.4kN/m2;基本風壓0.6kN/m2;網殼自重模型自動計算。

3D3S開發平臺為CAD，建模操作相對靈活，可以利用CAD命令進行操作，利用線段來擬合三心圓網殼，然后對幾何線段賦予結構屬性，如截面尺寸，材料屬性等，通過桿件導荷，將面荷載轉化成節點荷載施加到結構模型，最后按照實際支座位置設置邊界約束條件，這樣就形成了最終的結構模型，通過設置求解參數，如抗震設防烈度，地震分組，場地類別，阻尼比等參數，對結構模型進行求解。最終利用SAP2000復核3d3s計算結果，通過對比發現結果完全一致。

4設計及施工中中應注意的問題

大跨度柱面網殼結構對荷載比較敏感，荷載取值必須做到盡可能的精準，以恒荷載為例，以往結構設計中認為恒荷載對結構不利，可適當取大值，以保證結構安全，但是柱面網殼并非如此，很有可能由于恒載取值過大，導致在風荷載控制的組合工況下本應拉壓發生轉變的桿件沒有發生拉壓轉變，意味著計算過程中始終處于受拉狀態的桿件在實際工作過程中處于受壓狀態，這是不安全的。

大跨度柱面網殼結構的抗風設計參數取值主要參考高層或高聳結構設計規范，由于設計依據少，難以選取風振系數，這種取值方法還不夠完善，風振系數的選取主要靠經驗。

網殼結構的支座通常采用鉸接形式。考慮到支座不可能存在理想的不動鉸支座，也就是說支座在兩個水平方向上是一種彈性支承。既然是彈性支撐，就涉及到了彈性支撐的線剛度問題。由于影響這一支承剛度很難精準進行計算，那么如何來解決這個支座剛度為問題的關鍵。目前關于這個問題的解決方案就是對支座支承剛度進行包絡設計，通過支承剛度自足夠小到足夠大這一包絡設計過程，以充分保證結構的安全可靠。

5結語

該結構形式設過程中計算已經比較成熟，但應注意施工工況的驗算，跟蹤計算每一施工步驟的受力狀態變化，避免采用不同的施工方法和施工順序引發的工程事故。

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