空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結構設計與分析

蔡麗

摘? 要：桁架結構是一種利于建筑工程施工建造的結構，這種結構的合理應用不僅能夠方便相關工程的施工，同時還能夠保障建筑工程的質量。目前來說，一些建筑工程的施工過程中，也會經(jīng)常應用這種構造。而根據(jù)施工建筑工程特殊性進行分析，該建筑結構形式也可以靈活運用，以便相關工程的順利施工。本文對空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結構設計進行說明，并對該結構的應用效果進行論述，希望能夠為相關企業(yè)提供參考。

關鍵詞：桁架;橢球面;設計

桁架的應用形式有多種，長方體的桁架結構是較為常見桁架樣式，這種結構的應用通常會具有簡單性，同時還具有方便性，這對相關項目的施工建筑也具有提高效率的意義。但由于工程項目的不同，桁架的應用設計方案也會不同，例如，當相關建筑結構造型為橢球面時，設計人員則應合理對桁架的形式進行設計，如根據(jù)建筑造型的橢球面，設計一種拱支單層網(wǎng)殼結構。本文結合某工程項目對空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結構設計進行分析，希望能夠促進相關企業(yè)的發(fā)展。

1 工程概況

某工程項目是一種水世界類型的工程項目，該建筑工程項目的外觀為橢球狀，總建筑面積約為43000m2，水面面積約為15000m2。外形的橢球的高度為30m，平面投影長軸有200m長、短軸有140m，投影面積為21980m2。橢球面的材料多為玻璃材料，其目的在于利于該建筑結構的室內采光。

2 屋蓋結構體系

2.1 屋蓋結構體系的對比選擇

本文案例工程中，設計了三種具有可行性的屋蓋結構體系，即型鋼拱、雙層網(wǎng)殼、拱支單層網(wǎng)殼。根據(jù)該結構的實際應用情況分析，該結構的底部載荷越小時，該方案對建筑結構的穩(wěn)定性越有利。因此，相關人員對以上方案進行了多方面的比較，如相關方案中可能引起的最大水平推力、用鋼的數(shù)量、基本周期、通透性、采光性、以及最大豎向位移。相關對比過程如下。

型鋼拱方案采用箱形截面，設置4根鋼管混凝土柱以減小跨度并承擔水平力;面外無支撐，整體剛度弱;桿件截面大且桿件種類的數(shù)量受限制，故用鋼量大。雙層網(wǎng)殼方案采用圓管截面，網(wǎng)殼落地處設置128個三向鉸接支座;整體剛度大，水平推力小且用鋼量最小，但桿件數(shù)量及截面種類多，采光性及視覺效果差。拱支單層網(wǎng)殼結構利用拱結構具有平面內剛度大、穩(wěn)定性好的特點，改善了單層網(wǎng)殼的整體性能，而單層網(wǎng)殼對拱結構的側向穩(wěn)定起到有利作用，二者的相互結合提高了結構的效能，使其各項性能指標除通透性及采光性外，均優(yōu)于型鋼拱，且可以滿足建筑的視覺和采光要求。經(jīng)綜合考慮，最終選用拱支單層網(wǎng)殼方案。

2.2 拱支單層網(wǎng)殼結構體系

拱支單層網(wǎng)殼結構體系的設計中，主要是按照“井”字形進行建筑，其單層網(wǎng)殼的是按照4榀作為主要受力結構。這種結構在被設計完成后，將空間桁架拱區(qū)分成了9個區(qū)格，且長軸、短軸部分都被劃分成了3段。長軸劃分后的軸向距離為70m、60m.70m;短軸被劃分后，其分段跨距為50m、40m、50m。另外，在網(wǎng)殼的頂部也相應布置了馬道，其馬道形狀為8邊型。

空間上的桁架跨度分別為190.9m與132.3m。拱桁架的是由兩根上弦與一根下弦組成，其截面呈倒三角形狀。上下弦安裝所用的斜腹桿，促使平面呈現(xiàn)出網(wǎng)格狀，其網(wǎng)格規(guī)格為6*6m。而為了保證弦平面與拱支單層網(wǎng)殼的網(wǎng)格規(guī)格相一致，設計過程中，還將弦平面上的網(wǎng)格細分成了3*3m的結構樣式。

拱支單層網(wǎng)格設計的落地位置處應用了混凝土環(huán)梁結構的設計形式，這種結構形式與桁架相交處的環(huán)梁改為了鋼桁架環(huán)梁，如設計過程中的8段混凝土環(huán)梁與鋼桁架環(huán)梁交替相連的形式。通過這種利用拱支單層網(wǎng)殼支承于拱架及周圍混凝土的環(huán)梁上的設計方式，其設計效果表明，拱架的設置起到減少網(wǎng)格跨度的作用，而這種作用也提高了網(wǎng)殼整體的穩(wěn)定性效果。另外，在設計過程中，拱腳位置的受力情況也勢必會具有較大的特點，對此，為了改善拱腳位置的受力情況，設計過程中，采用了在8個拱腳間設置4根拉索的設計樣式。同時，為來保障緩解拱腳受力的效果，設計過程中，還在拱桁架交叉的位置處采用了二級分叉樹狀的支撐方法，樹狀支撐的過程中主要是用于支撐網(wǎng)殼。

拱支單層的支持柱采用了22.5m的支撐柱，這種柱是一種圓鋼管混凝土柱，同時這種柱的設計形式也有利于減小柱的占地面積，并保障支持的效果。分叉樹狀支持材料的設計過程中，也將其設計成為了圓鋼管。在設計柱與分叉樹狀的連接方式時，采用了焊接方式，并采用了半個焊接空心球節(jié)點的形式，例如，半球與柱頂封板的焊接采用的是第一級分叉樹狀支撐焊接于球上。

3 結構基本特性分析

3.1 模型建立

采用ANSYS軟件建立拱支單層網(wǎng)殼有限元模型。單層網(wǎng)殼桿件、拱桁架弦桿、鋼桁架環(huán)梁弦桿、混凝土環(huán)梁采用可以考慮材料非線性的Beam188梁單元模擬;拱桁架三面腹桿、鋼桁架環(huán)梁腹桿以及馬道吊桿采用既能受拉也能受壓的Link8桿單元模擬;拉索采用Link10模擬且設置為僅能受拉，預應力施加采用初始應變法;同時建立表面效應單元Surf154以施加面荷載。檁托板上焊有十字形肋板，兩個方向的檁條都焊接于十字肋板上，檁條采用Beam188梁單元以模擬剛接作用。

在找形階段釋放拱腳處的水平約束并在荷載組合（1.0恒+0.5活）作用下對預應力進行優(yōu)化，取拱腳節(jié)點處水平位移接近0時的預應力值（1 350kN）。結構設計時增大了拉索的安全系數(shù)，原因包括：1）拉索是結構的重要構件;2）拉索處于潮濕的地下環(huán)境且更換難度大。根據(jù)現(xiàn)場構造及施工要求，每拱腳設4孔、每孔設置9根15.2鋼絞線。

3.2 整體穩(wěn)定性分析

單層網(wǎng)殼設計的控制因素可能不是強度，而是結構的整體穩(wěn)定性。特征值屈曲分析是線性分析且屬于分支點失穩(wěn)，網(wǎng)殼初始缺陷的存在使得結構的曲形態(tài)由分支點失穩(wěn)變成極值點失穩(wěn)，而不會出現(xiàn)二次路徑，穩(wěn)定分析時應采用非線性分析方法。單層網(wǎng)殼為缺陷敏感性結得到的第1階屈曲模態(tài)為初始缺陷形狀。L/300的初始缺陷大于規(guī)范規(guī)定的施工中容許的最大安裝偏差，但只有當缺陷達到一定數(shù)值后，其對結構整體穩(wěn)定的影響才能夠得到充分體現(xiàn)，因此分析時偏安全地將初始缺陷取為L/300，對結構進行線性的特征值屈曲分析。

4 結束語

綜上所述，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑工程的施工建設過程中，越來越重視施工過程中的質量性與經(jīng)濟性。空間桁架結構是一種建筑結構的施工組成樣式，而這種施工對建筑工程的質量性及經(jīng)濟性施工也具有較為積極的意義。但施工企業(yè)的應用桁架施工技術時，還應針對工程特點進行全面分析，以促使桁架鋼的施工能夠達到工程的相關要求。與此同時，施工設計人員也應該認識到空間桁架拱支單層橢球面網(wǎng)殼結構的設計應用，以促使設計人員的設計具有更多的選擇。

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