大跨度封闭式柱面网架结构设计

近年来，随着人们对空间需求的增大和建筑技术的迅速发展，各式各样的大跨度建筑物不断涌现。目前大跨度空间结构应用较多的是空间网格结构，网壳结构属于一种曲面型网格结构，有杆系结构构造简单和薄壳结构受力合理的特点，其外形优美、受力性能好、经济性好，施工方便，是一种具有广阔发展前景的大跨度空间结构形式。柱面网壳结构作为网壳结构形式之一，在封闭式散货料场领域应用最为广泛。施工技术是大跨度网架结构设计成果实现的基础，大跨度网格结构的常用施工方法有高空散装法、分（条）块安装法、高空滑移法、整体提升法。

  2 大跨度封闭式柱面网架结构设计

  2.1 荷载

  2.1.1 恒载

  恒载主要包括网架结构自重、檩条、屋面板等上覆材料的自重。

  2.1.2 活载

  活载主要包括：屋面活荷载、雪荷载、风荷载，温度作用、地震作用。屋面活荷载、雪荷载根据荷载规范中的规定直接取值。大跨度结构对风荷载效应最为敏感，而我国现行荷载规范中缺乏这类结构体型的设计数据，在实际工程中应由风洞试验确定。温度作用应自安装时的温度算起，计算更大正温差和负温差。地震作用包括水平和竖向地震作用两大类，在设防烈度为7度的地区，网壳结构可不进行竖向地震作用计算，但必须进行水平抗震计算。

  大跨度网架结构设计

  2.2 结构几何参数

  大跨度柱面网架结构几何形态设计的内容主要包括矢跨比、网格厚度和网格尺寸。实际结构的设计，应从经济性和受力性能方面综合考虑，对网格的厚度和尺寸进行优化设计。

  2.3 支承条件和节点设计

  网壳结构的支撑方式通常有三种：上弦、下弦和上下弦共同支撑。上弦支撑与下弦支撑相比，内力峰值减少34%，杆件内力分布均匀，因此上弦支承方式在大跨度柱面网架结构中应用较多。支座节点的设计需尽量接近实际的边界条件，网壳结构中一般采用固定铰支座，其受力合理、计算模型与实际受力状况基本一致、用钢量少。

  大跨度网架结构通常采用螺栓球节点，其特点为杆件内只受轴向力，不产生弯矩，且施工速度快，高空作业时，施工质量更容易保障。

  3 施工方法

  施工方法直接影响工程的质量、进度与造价。大跨度网格结构的常用施工方法有高空散装法、分（条）块安装法、高空滑移法、整体提升法。高空散装法的高空作业量大，需要过多的材料搭建拼装平台;分（条）块安装法中分条分块后的网架结构单元，自身应该具有足够的刚度，否则应采用临时的加固措施;高空滑移法可以减少大量的高空作业，保证结构施工质量和安全性;整体提升法的优点是可以保证节点的质量和拼装的准确性，但对于起重设备的要求较高。

  实际工程中，应从工期、场地条件、机械设备、施工技术水平等方面综合考虑做出经济合理的选择。

  4 应用实例

  4.1 工程概况

 本工程为某公司提质改造工程散货封闭料场，轴线尺寸为470m（长）×110m（宽），矢高44.124m，网格为4.0m（纵向）×4.55（跨度），厚度3.55m，三心圆柱面钢网壳结构，采用正放四角锥形式，柱脚采用球铰支座，柱顶标高2.0m。

  4.2 设计参数

  恒载：0.3kN/m2（包括屋面壓型钢板、马道、灯具等吊挂，檩条）。活载：0.5kN/m2。风压：0.45kN/m2（根据以往工程的风洞试验，并咨询中国建科院风洞，风洞试验的结果与荷载规范一致，大部分体型系数比荷载规范小，可以分别按照荷载规范表8.3.1第4、36项选取）。雪压：0.7kN/m2（考虑半跨荷载、不均匀分布）（体型系数选自荷载规范表7.2.1第3、10项）。温度荷载：±30℃。结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度;设计基本加速度值为0.1g;设计地震分组为组，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.35s。钢管：Φ140及以下杆件选用Q235B钢;Φ140以上杆件选用Q355B钢。

  4.3 设计控制指标

  屋顶网壳挠度≤ L /250。风荷载下，网壳顶部相对水平位移≤ H /150。应力比：网架杆件设计应力的取值要求：一般杆件设计应力按规范强度设计。值的90%取值;支座附近的杆件设计应力按规范强度设计值的80%取值。支座以上两个节间的关键受压杆件：[λ]≤150;其它受压杆件[λ]≤180;受拉杆：[λ]≤220，关键受拉杆件[λ]≤200。

  4.4 结构设计分析

  本工程采用MSTCAD软件计算，空间杆系有限元法分析节点位移和杆件内力，节点均按铰接，杆件按轴心受力构件。验算结果：（1）结构在最不利组合下的应力比均<0.9;（2）结构跨中竖向挠度在恒+活标准值下为236mm.挠跨比为1/466<1/250;（3）结构跨中水平向位移在恒+风标准值下为260mm.高跨比为1/177<1/150;（4）结构跨中水平向位移在地震标准值下很小.远远满足<1/250要求。

  本工程经过结构优化设计最终确定的网架厚度为3.55m，此时更大杆件为219mmX16mm，螺栓球更大直径为240mm，网架结构杆件总单元数为33456，节点数为8528，螺栓数为48524，网架封闭面积为49275m2，网架最终设计总用钢量为3594.7t，单位用钢量为73kg/m2。

  4.5 施工

  根据三心圆柱面网架的特点，结合工期安排，现场起重设备的性能及施工难易程度等因素，本工程确定采用分条（块）安装方法。施工前施工单位进行了严谨的施工组织设计和吊装模拟分析，最终顺利完成了网架拼装工作。

  （1）大跨度柱面网架结构的设计，风荷载起主要作用，规范中对此类网架结构没有明确规定，在实际工程中应进行风洞试验，以提高结构的安全可靠性。（2）应综合考虑受力性能和经济性两个方面的因素，确定大跨度柱面网架结构的几何参数。（3）实际工程中，应从工期、场地条件、机械设备、施工技术水平等方面综合考虑做出经济合理的选择。（4）大跨度全封闭柱面网架结构形式，可以从根本上解决散货堆场粉尘外溢、撒漏、扬尘等污染问题，对生态环境的保护有着重要的意义。