重慶國際馬戲城支撐幕墻空間網殼結構設計與分析

敬承錢

中冶建工集團有限公司 重慶 400054

1. 工程簡介

重慶國際馬戲城項目是重慶市十大公益性項目之一，以雜技馬戲演出為主，集文化展示、文化交流、休閑娛樂、旅游為一體的大型綜合性文化設施。主表演館的建筑形態通過兩組空間曲線生成兩片相互包裹的曲面，圍合出馬戲劇場的主要空間，內側曲面圓潤、飽滿，外側曲面舒展平緩，自然延伸為屋面飄帶，與售票亭、餐飲、零售等商業設施有機的融合在起，可容納1500名觀眾觀看雜技、馬術、魔術等表演。

主表演館建筑面積為21850m2，建筑高度49.78m，主表演館主體結構為屋頂采用雙向正交鋼桁架結構體系屋面，屋面最大跨度為55.65m，墻面外圈設置16榀鋼筋混凝土外框斜柱，每跨柱網之間的夾角為22.50°。墻面為多層復合金屬幕墻，金屬幕墻需鋪掛在墻面幕墻支撐鋼結構體系上，但主體結構只設計了16榀鋼筋混凝土外框斜柱，無法達到建筑要求，需要在16榀鋼筋混凝土外框斜柱增加設計支撐幕墻空間網殼結構。

2. 結構體系與建模找形方法

根據建筑整體形狀的特點，采用雙向斜交的單層網殼結構，16榀鋼筋混凝土外框斜柱內外直接需要共設置21片雙向斜交的單層網殼結構，兩片外框斜柱之間軸線間距18m，高度15～32m不等。單層網殼采用三邊支撐，兩側邊采用鉸接連接，底側為釋放長度方向應力的鉸接連接。首先根據建筑方案建立BIM犀牛模型，根據初定截面口400X400矩管實際模擬每根鋼管的空間曲線走向，檢查有無碰撞，經查鋼管與混凝土粱局部碰撞，經過與建筑協商將截面調整為口400X350。再次以口400X350鋼管建立整體BIM犀牛模型，滿足建筑整體效果。將犀牛模型中口400X350鋼管導出CAD中心線條模型，再在3D3S和midas中導入CAD中心線條計算分析。

3. 分析模型和荷載作用

為了確保計算結果的準確性，采用3D3S和midas兩種軟件進行設計分析，并相互校核。因每片網殼是獨立的，可每片獨立建立模型計算分析。

結構荷載取值如下：

1）恒荷載：1KN/㎡（幕墻荷載），結構自重由軟件自動計算。

2）活荷載：0.5KN/㎡.

3）風荷載：基本風壓為0. 4kN/m2( 50 年一遇) ，體型系數根據數值風洞試驗提供的數據結果進行細化設計，地面粗糙度類別為 B 類。

4）溫度作用：考慮±30°

5）地震作用：抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震第分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，建筑抗震設防類別為乙類。

4. 靜力分析計算和動力特性分析

4.1 結構的動力特性

網殼前6階振型對應的計算周期見表1，3D3S和midas兩個軟件動力分析結果基本相同。結構的前9階振型均為整體型振動，沒有局部剛度薄弱而引起的局部振動模態。

表1

4.2 結構位移計算

依據分析結構，分別統計核算網殼在各種荷載組合下的的豎向和水平變形位移，結構在恒載+風載作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為4.157mm，根據網殼規范其位移限制為L/400=18000/400=45mm＞4.157mm，滿足其規范要求。豎向Z方向的最大位移為1.799mm，主要集中在頂部變形，底部基本無變形。恒載+風載作用下結構的變形不大，不敏感。

結構在恒載+升溫作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為38.131mm，根據網殼規范其位移限制為L/400=18000/400=45mm＞38.131mm，滿足其規范要求。結構在恒載+降溫作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為38.399mm，根據網殼規范其位移限制為L/400=18000/400=45mm＞38.399mm，滿足其規范要求。溫度作用下豎向Z方向的最大位移為16.715mm，也主要集中在頂部變形，底部基本無變形。恒載+溫度作用下結構的Y向變形較大，較敏感，其主要控制作用。

圖1（A）是結構在恒載+風載+溫度作用下Y方向的位移，跨中最大Y方向的位移為40.225mm，根據網殼規范其位移限制為L/400=18000/400=45mm＞40.225mm，滿足其規范要求。圖1（B）是結構在恒載+風載+溫度作用下豎向Z方向的最大位移為17.682mm，也主要集中在頂部變形，底部基本無變形。恒載+風載+溫度作用下結構的Y向變形較大，較敏感，起控制作用。

圖1 （A）恒載+風載+溫度作用下Y方向的位移

圖1 （B）恒載+風載+溫度作用下豎向Z方向

4.3 桿件應力比

根據結構在恒載+風載+溫度工況組合作用下的桿件應力比，所有桿件應力比控制在0.8以內，桿件最大應力比為0.777，改網殼結構桿件強度滿足規范要求。

5. 整體穩定性分析

5.1 線性特征值屈曲分析

線性特征值屈曲分析是不考慮結構的初始缺陷，初步判斷和了解結構的整體穩定性，將分析得到的屈曲模態可作為初始缺陷的分布形式引入下一步非線性屈曲穩定性分析。在1.0恒載+1.0風載下進行線性屈曲分析，通過3D3S計算的第一階模態線性整體穩定系數為74.697，通過MIDAS計算的第一階模態線性整體穩定系數為72.587,二者計算結果比較接近，均大于10，滿足要求。單層網殼結構的前 9階特征值詳見表2，前3階屈曲模態如圖2所示。

表2 前6階特征值

圖2 前3階屈曲模態

5.2 非線性屈曲分析

根據網殼規程規定，通過網殼結構的幾何非線性全過程分析，并考慮可幾何初始缺陷、不利荷載分布等影響后求得第一個臨界點荷載值，可作為網殼的極限承載力，將極限承載力除以系數K后，即為按網殼穩定性確定的容許承載力（標準值）。當按彈性全過程分析時，單層網殼的安全系數K可取為4.2。本項目進行考慮初始幾何缺陷進行整體穩定性分析，以第一階線性屈曲模態作為結構的初始幾何缺陷的分布模態，其最大缺陷值可按照單層網殼的最大跨度的1/300取值，當層網殼的跨度為18米，所以按照比例調整后的幾何缺陷最大值為60mm，在此基礎上調整計算模型進行結構非線性屈曲分析計算，分析工況為恒載+風載，經MIdas分析的幾何非線性時的穩定系數為45.16,3D3S計算結果為44.6，計算結構均大于4.2，表明滿足網殼整體穩定性較好，滿足規范要求。

6. 結束語

該單層網殼結構具有很好的整體穩定性和剛度，能很好的實現建筑意圖和效果。通過兩個軟件的對比分析，溫度荷載起主要控制作用，對結構的變形和應力有較大影響，從結構的動力特性及靜力計算分析的數值結果上可以看出本網殼結構所有桿件的強度滿足設計規范要求，結構的變形也都滿足規范要求。網殼各個桿件的穩定和結構整體剛度均符合設計規范要求，同時也完全滿足使用要求。故得出的結論為: 本單層網殼結構穩定、可靠，能夠滿足設計和使用的要求，同時施工上也可行。