（上海同大规划建筑设计有限公司 上海 200092）
【摘 要】本文以某工程为背景，分析了推力自平衡单层折板网壳结构和空间桁架结构在应用于多边形建筑平面时的受力特点，并对这两种结构在经济性能、施工难易、使用功能等指标方面进行了比较。本文可供多边形建筑平面大跨空间结构选型参考。并试图通过本例说明大跨空间结构选型应当综合考虑建筑功能、受力性能、经济性能、施工可行性等因素, 并做出合理的权衡才能够正确的选择出优秀的结构形式。
【关键词】结构选型；推力自平衡；折板网壳结构；空间桁架结构；综合权衡
Lectotype Analysis of Polygon Big Span Roof
Wang Chun-yun
SHANGHAI TONGDA PLANNING ＆ARCHITECTURAL DESIGN CO.,LTD
【Abstract】In this article one construction project as the background, thrust selfblanced braced doom and space truss are analysed when they are applied in polygon building plane. The economy,constuction and function targets of those two stucture shapes are also compared in this article. This article can be referrenced to lectotype of polygon building plane’s big span space structure. And from this example, it is attemped to illustrate the importance of synthetical weigh of the architecture function, structure performance of mechanics, economy performance and the feasibility of constuction in structure lectotype of big span space stucture.
【Keywords】Stucture lectotype;Thrust selfblanced;Braced doom;Space truss;Synthetical weigh
【中图分类号】TU74 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）24-0068-03
建筑功能、受力性能、经济性能、施工可行性[1]，是在大跨度空间结构选型中必须中和考虑的四点内容。针对具体工程可能有不同的侧重点，但不论何种情况应当一方面以建筑功能为首要控制因素，兼顾其他方面的优点，另一方面则要以受力性能为控制因素。优秀的设计则是完美地综合了以上几方面的指标。
对于平面为多边形的大跨屋盖结构，近年来常使用推力自平衡单层折板网壳结构和空间桁架结构的结构形式。本文以某工程为例，详细地比较了这样两种结构形式的受力特性、经济性能、施工难易等指标，指出两种结构体系的优劣之处。
1.建筑方案简介
本工程为一会展中心，建筑总平面图如图1所示。建筑主体部分由一个大跨度展示空间构成，平面尺寸如图2所示。该大跨空间的屋盖平面近似为八角形，但其中四条外边界由于建筑形式的需要调整成为了圆弧形，在结构设计中我们使用了分段直线的方法来近似该圆弧线。该建筑屋盖两条直线边界之间的跨度位40m，斜向最大跨度达48.3m。
2.两种结构方案简介
2.1 结构方案一
根据建筑师扁锥形屋盖的想法并结合甲方要求的，屋盖结构方案一采用了推力自平衡单层折板网壳结构[2]，如图3所示。该结构由八片平面折板形网壳组成，屋盖中心矢高4m。该网壳结构的特点是结构在竖向荷载作用下所产生的水平推力全部由环向梁承担，这样每一条外边界下柱子的位置处就可只设置竖向支承，而水平约束均予以释放，从而屋盖结构几乎对下部结构不产生水平推力。
该方案的杆件均采用H型钢。最外圈环向梁的截面为焊接H1000×400×14×20，其余环梁从外圈到内圈截面由大到小分别采用了HN800×300×14×22、HN500×200×10×16、HN300×150×5.5×8三种截面形式。八个折板面相交处的径向梁截面为HN600×200×11×17，钢梁及其他连接板均采用Q345-B钢材。杆件上不设置檩条，屋面板直接铺设在H型钢上。分析该方案时，我们采用有限元分析软件SPA2000进行分析，采用的计算单元为空间梁单元，其计算有限元模型如图3所示。该模型是由AutoCAD软件建立，然后导入到SPA2000中去，在SPA2000中赋予杆件的截面尺寸和节点的约束情况。 为了使得图面表达清楚在该图中隐去了屋面板的模型，但屋面板模型只起将荷载分配到杆件各节点的作用而没有抵御荷载的结构作用，也就是说在SAP2000中我们将屋面板材料的弹性模量设为零，这样就对下面的杆件没有任何结构影响了。在分析操作过程中考虑到结构在竖向荷载作用下的水平推力全部由环向梁承担，因此将屋盖支承处的水平约束均予以释放。又根据结构的对称性，为了保证结构为几何不变体系，在屋盖结构的顶点加设X、Y向两个水平约束，以及旋转约束，但该约束的施加不影响竖向荷载作用下的结构分析。结构约束施加的情况如图3所示。
图3 推力自平衡折板网壳结构有限元模型
2.2 结构方案二
由于该屋盖的外形还较规整因此在结构方案二中我们采用了空间桁架结构的形式。该结构由纵横各三榀空间立体桁架交织而成，如图4所示，为了表达清晰此图中同样隐去了屋面板的模型。在该结构中桁架的断面为倒三角形，上弦间距1.5m，桁架高2m，桁架之间由檩条连接，每榀桁架两端分别支承在柱端。考虑到结构的中心对成性，为了使得结构更好地成为空间受力体系，我们采用了十字交叉檩条的结构形式来承受屋面板传来的荷载（由于为了图形表达清晰，图中隐去了部分较小的檩条）。檩条架设在空间桁架的上弦上，并在桁架的下弦设置交叉拉杆保证桁架的空间整体性。
桁架及檩条的杆件均为圆钢。桁架上弦杆件截面最大采用φ180×12的无缝钢管，下弦杆件截面最大采用φ180×12的无缝钢管，腹杆杆件截面最大采用φ120×10的无缝钢管。受压檩条最大采用φ250×12无缝钢管。
与方案一相同我们采用有限元分析程序SPA2000进行结构分析。建模同样是使用AutoCAD软件建模，然后导入到SPA2000中去指定材料及截面并进行结构分析。有限元分析中结构采用梁单元，所有节点采用刚接。其桁架及檩条的支承情况仍如图4所示。
图4 空间桁架结构有限元模型
3.结构方案比较
3.1 结构受力性能的比较
3.1.1 基本荷载取值
作为性能的比较，两种方案均采用相同的荷载取值，结构分析计算中考虑的荷载有恒载、活荷载、风荷载和温度效应，恒载、活载、风荷载均施加在屋面板上，然后由屋面板将荷载传递到杆件各节点，如1.1中所述。
荷载设计标准值取值：
（1）恒载：屋面板自重标准值0.2kN/m2，吊顶恒载标准值0.8kN/m2，钢结构自重由程序自动生成。
（2）活载：屋面活载标准值0.5kN/m2。
（3）风荷载（基本风压）：，地面粗糙度A。
（4）温度差：考虑结构施工安装时的温度与使用过程中最高、最低温度的差值为±20℃。
3.1.2 推力自平衡折板网壳结构方案受力性能
在这里我们主要分析竖向荷载作用下的受力性能。通过SPA2000软件对方案一有限元模型的计算，我们得到结构的变形情况如图5所示。屋盖结构在最不利竖向荷载标准值作用下的竖向最大位移为76.5mm，由变形图可以看出锥形的顶点处并非位移最大处，最大位移出现在每块折板的跨中位置处，如图5所示。按照跨度40m计算，该竖向挠度为跨度的1/522，满足50017规范[3]的规定。
根据SPA2000计算分析的结果，结构在竖向荷载作用下沿截面弱轴的最大弯矩是强轴弯矩的1/100量级，因此采用H型钢截面能很好的反映截面强、弱轴的受力情况。在竖向荷载作用下径向的脊梁承受了较大的轴向压力和弯矩。边缘的环梁承受拉力，最边缘的环梁承受的拉力最大，最大的拉力达到了1292.4kN。中间部分环梁承受压力，最大的压力达到了-338.6kN。根据以上静力分析的结果可知，该结构的竖向荷载主要由径向的脊梁和外围的两圈环梁承担，结构的传力途径十分明确。在截面选择上这些杆件应当选择较大的截面。
图5 推力自平衡折板网壳结构在竖向荷载作用下的变形
2.1.3 空间桁架结构方案受力性能
通过SPA2000软件对方案二有限元模型的计算，得到结构的变形图如图6所示。从图中我们可以看出，屋盖结构在最不利荷载标准值标准值作用下的竖向最大位移为93.2mm，出现在结构的中心部位的檩条节点上，越接近边界竖向位移越小。这也是符合一般的桁架结构的受力情况的。按照一榀桁架的跨度为40m，桁架上的最大竖向位移为86.2mm，为跨度的1/464，满足50017规范[3]的规定。
桁架梁为主要承重构件，承受竖向荷载作用下产生弯矩作用，因此最大压力出现在跨中位置桁架的上弦杆达到350kN，最大拉力出现在跨中位置桁架的下弦杆达到747kN。桁架的上弦杆最大压应力达到52MPa，下弦杆最大拉应力110MPa。因此钢材采用Q235即可满足要求。
图6 空间桁架结构在竖向荷载作用下的变形
2.1.4 受力性能优劣性对比
在推力自平衡折板网壳结构中利用根径向的脊梁受压和周边最外层环形梁承受拉力，形成一个竖向力作用下的自平衡体系。由于屋盖结构对下部结构不产生水平推力，这样就可以降低对下部结构的设计要求。同时，该结构的最大竖向位移只有跨度的1/522，有着很好的刚度。
空间桁架结构实际可以看作为交叉井字梁结构，其特点是结构的整体性能较好，受力较均匀，结构承受荷载条理清晰。
2.2 经济性比较分析
通过前面的结构分析可以得到每个方案的总用钢量，方案一的总用钢量为128.4t，方案二的总用钢量为114.3t。但通过结构的应力分析可知，方案一必须使用Q345钢，而方案二则只需使用Q235钢即可。对于下部结构而言，由于方案一采取了推力自平衡体系，因此对下部结构的要求较低；而方案二中由于下部结构必须承受屋盖结构传来的水平推力，因此下部结构的造价以及结构要求都高于方案一。因此方案一、二的经济性比较列表1所示。
表1 方案一、二经济性比较
2.3 建筑室内空间功能要求及空间艺术效果比较
由于方案一为单层空间网壳结构，其结构高度较小，因此有利于获得较大的室内净空。而方案二由于使用的是空间桁架结构，其单榀桁架的高度就有两米，因此浪费了较大的室内使用空间。在相同的室内净高要求下，方案二必需增加建筑高度。但增加了建筑的高度一方面会涉及到建筑方案及整体规划的变动，使得先前的许多工作需要做出重大的调整，费钱费力；另一方面也会增加屋盖以下建筑的成本，因此我们认为这并不是一个明智的选择。
从空间感觉的角度上来说，网壳结构虽然其结构自重大于空间桁架结构，但由于其形式具有很强的空间性，因此在形式上反而较桁架显得更加轻盈、舒展；相反，空间桁架结构从其力学性能上考虑由于其根本上具有梁的受力特点，加之杆件密集交错，因此很容易使人产生结构笨重的感觉。同时由于网壳结构的内部空间较大，显得室内空间较为开阔，而巨大的桁架结构则会给人产生压抑的感觉。
2.1.5 制作与施工方面的特点比较
对于H型钢截面的构件，在其传统的刚性连接的节点中采用翼缘对接来承担弯矩作用、通过连接板用高强螺栓连接腹板来承担剪力作用的，该连接方式工艺方面已经十分成熟，一般的钢结构厂均有该类节点加工、制作及安装的能力，而且稳定性能较好。对于无缝钢管的连接一般采用焊接球、螺栓球节点或相贯连接管节点连接，要求钢结构制作厂、加工厂具有螺栓球及相贯切割机等加工、生产的能力[4]，这就直接增加了施工与制作的成本与难度。由此可见从施工和制作的特点来看，方案二的制作施工的成本与难度大于方案一。
3.结语
综合以上各方面的比较，我们将两种结构的各方面性能列于表2。
表2 折板网壳结构与空间桁架结构综合性能比较
通过以上表格的分析可知，虽然空间桁架结构的受力性能及直接成本优于推力自平衡折板网壳结构形式，但空间桁架结构高度较大，且加工制作成本较高。考虑到下部结构的处理难度以及建筑室内净高和视觉效果等方面的因素，最终采用了推力自平衡折板网壳结构。
由本例的分析可以看到大跨度空间结构选型必需综合考虑各方面的因素，优秀的设计则是完美地综合了以上几方面的指标。因此结构工程师必须综合分析建筑功能、受力性能、经济性能、施工可行性等控制因素，并做出合理的权衡才能够正确的选择出合理的结构形式。
推力自平衡折板网壳结构由于在竖向荷载作用下的水平推力全部由环向梁来承担，不对下部结构产生水平推力，因此对下部结构的要求较低。同时其造型优美而且节点连接较为简单，施工方便，是一种性能良好的大跨度空间结构。
参考文献
[1]王力，吕大刚，张世海，等.结构选型的方案评价理论与方法[J].低温建筑技术，2003(2)
[2]张丽，徐国彬.某自平衡钢屋盖结构的设计分析[J].钢结构，2002(2).
[3]GB50017-2003钢结构设计规范.
[4]李和华.钢结构连接节点设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
论文作者:王春云
论文发表刊物:《建筑知识》2017年24期
论文发表时间:2018/1/2
标签：结构论文; 桁架论文; 荷载论文; 推力论文; 方案论文; 截面论文; 性能论文; 《建筑知识》2017年24期论文;