冯耀宁
（中国市政工程西北设计研究院有限公司北京工程设计咨询分院，100037）
【摘 要】本文对某工程污泥干化间的双层柱面弧形网壳结构设计进行介绍，并对屋面网架、竖向钢柱及纵向支撑构件建立空间结构模型进行整体分析。使用国际通用有限元分析设计软件进行受力分析，并对分析过程及结果进行探讨。
【关键词】弧形网壳；整体建模；有限元
本工程位于新疆某地区，抗震设防烈度为7度（第二组），设计基本地震加速度为0.15g。屋面为下弦支撑的柱面弧形网壳结构，支撑柱为钢柱,采用纵向柱间支撑抗侧力体系。屋面网壳平面尺寸为：66m×34m,属中小型屋面网架。长向柱距为11X6m,网架跨度为34m。屋面网壳采用对边钢柱支撑，柱顶标高为6.9m。弧形网架矢高为7.15m，网架自身高度为1.6m,矢跨比为1:4.755,满足《空间网格结构技术规程》的1/3~1/6规定。沿结构纵向设置3道纵向抗侧力柱间支撑，两端山墙部共对称设置8个抗风柱，抗风柱单独计算，柱顶与网架螺栓球刚性连接。三维透视图见图1（本文插图长度单位为m,力学单位为KN）。
2、结构方案的探讨
本工程建筑形式为弧形钢结构屋面，弧形钢结构空间结构体系分为单层柱面网壳及双层柱面网壳。单层柱面网壳又根据支撑形式的不同分为两端边支撑及两纵边支撑。因该工程特征为两纵边支撑结构体系，但两纵边支撑的单层弧形网壳适用于跨度30m以下的结构，综合判定该工程屋面采用双层柱面网壳。网壳纵向支撑于钢结构立柱上，钢柱下端与基础嵌固连接，柱顶与网壳结构固接连接。
3、计算模型的建立
本工程的双层柱面网壳与立柱及纵向支撑均采用国际通用有限元分析设计软件进行建模计算。这种建模计算比传统的网壳与下部支撑结构分别计算更为精确。采用屋面与支撑结构分开建模，支撑计算时不能够精确的定义网壳的空间刚度，网壳与支撑柱在外部荷载作用下的变形也不相协调，整体建模计算就能很好地避开上述问题。本工程网壳屋面在四周边榀采用加强桁架结构封边，网架支座选用板型支座。
本工程所采用的主要荷载：雪荷载：0.5KN/㎡，风荷载:0.6KN/㎡，屋面恒载：0.5KN/㎡，屋面活载：0.5KN/㎡。温度分析考虑：△t=±40℃，钢网壳合拢温度为10℃~20℃。该工程屋面网壳矢跨比1:4.755大于1:5，根据《空间网格结构技术规程》4.4.2条规定，抗震计算考虑水平地震作用，不考虑竖向地震的作用。
本工程所采用的主要截面类型有：钢柱：组合型HW400x408x21x21+HW 300x300x 10/15；柱间支撑及撑杆2 120X10；屋面网壳主要管材：φ68×5，φ76×5，φ89×5,φ95×6，φ102×5，φ102×5，φ121×5，较大杆件布置在受力较大的部位；螺栓球：BS150，BS180,外侧钢柱采用Q345，其余杆件均采用Q235。
在三维有限元建模中，将钢柱定义为下端固结，上端固接的杆件单元，即下端约束X、Y、Z三方向的位移及转角，上端与网壳支座连接定义为刚接。网壳杆件及支撑杆件均定义为二力杆，只承受轴力作用，释放掉杆件两端相应的约束。被节点打断的构件应按照实际情况对杆件进行整体构件受力计算。
网壳屋面外部荷载按照面单元加载，然后导算传递到螺栓球节点上。在网壳屋面顶部形成传递荷载的虚板，将面压力荷载加载至虚板面单元进行荷载导算。杆件自重荷载由软件自动计算。屋面风荷载按照面荷载加载到虚板上，柱间风荷载导算为线荷载加载至相应的钢柱上。
4、计算模型的分析
根据《钢结构规范》GB50017-2003及《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，钢柱长细比按照λ≤108控制，柱间支撑长细比按照λ≤200控制。网壳杆件长细比按照《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010的规定进行控制，压杆λ≤180、拉杆λ≤250。钢柱计算长度系数按照《钢结构设计规范》附录D表D-2取值。
本工程的屋面风荷载为风吸作用，静载在风载计算时起到有利作用，荷载组合时应充分考虑各荷载的作用方式，取最不利的荷载组合进行计算。
5、计算结果分析
竖向位移
根据荷载工况及计算结果，网壳在最大荷载工况下的竖向位移位于网壳正中上弦节点处。变形值为92mm,满足网架规程规定的挠度值1/250的要求。竖向变形图详见图2.
短跨方向位移
荷载工况分析，该工程的主要荷载类型为恒载、活载、风载及地震荷载。根据荷载规范、风荷载对屋面的影响为风吸荷载，产生向上的风吸力，在计算网架时起到有利的作用，故在分析结构体系的横向位移时，应取恒载及活载为主控荷载的荷载工况，两种工况下柱顶位移对比情况详见图3及图4。
本工程的屋面为柔性结构，下部结构的刚度对上部结构的位移控制起到重要的作用。网壳结构在受到外部荷载时由于其自身的刚度较小，对网壳的支座会产生延跨度方向较大的水平力，如下部钢柱提供不了足够的刚度来抵抗该荷载或约束较小，在约束处就会产生较大的横向位移。该工程原柱构件选用了单柱HW 428x407x20/35，在柱顶支座处产生了较大的位移，位移值大于框架柱高度的1/150，不能满足位移要求。经对计算结果分析，柱构件在短跨方向的刚度起到了控制性作用，增强构件在短跨方向的刚度是减少位移的最有效方式。将柱截面调整用HW400x408x21x21+HW 300x300的组合柱，截面柱短向连接采用Ⅰ16的横梁。更改柱截面形式后柱顶最大位移为41mm,满足规范对框架柱高度的1/150控制要求。通过分析结果可以看出，承载钢柱除了满足受力要求外，还要能够为上部结构提供足够的刚度才能保证受力体系的稳定性。
结构在长度方向上对称设置3道抗侧力柱间支撑，有效的将柱顶荷载传递给基础，位移计算结果满足设计规范要求。
强度分析
构件在最大荷载工况作用下的最大受拉部位位于网壳端部跨中下弦杆处，最大拉力为138.3KN,最大压力位于支座相邻处短向的下弦杆，最大压力为241.9KN,根据结构的受力特点，杆件在受力最大位置做加强处理。通过对计算结果分析，该网壳结构受力为对称形式，该结果与结构体系的对称布置及荷载工况一致。网壳杆件的最大拉应力为95.7N/mm2，发生于端部下弦杆处，最大压应力为154N/mm2，发生于支座下弦杆处，应力分布结果与内力分布相对应。
网壳下部承载组合钢柱在上部结构的荷载作用下，内侧柱底部为拉应力，顶部为压应力；外侧柱底部为压应力而顶部为拉应力，这是因为网壳结构给钢柱传递了向外侧的水平推力造成的。应力分布范围自两端向中部由小变大，这是由于荷载的分布导算情况造成的，符合体系受力特性。最大拉应力为175.9N/mm2，最大压应力为217.1N/mm2，均满足钢材材质的性能要求。钢柱应力计算结果详见图5。
图5 最大荷载工况作用下钢柱应力分布图
6、结论
目前大跨度工业厂房的应用正逐年增加，可靠安全的计算方式及计算结果决定了结构体系的稳定及安全性。通过本文对双层弧形网壳的结构分析结果可得出以下结论：
6.1 网壳计算宜用整体建模计算方法，可以充分考虑构件在荷载工况下的相互影响，避免了传统的建模方式中柱和网架分开计算，只考虑荷载传递而不能考虑杆件刚度的问题。
6.2 采用有限元软件建模计算快速精确，结果反映直观，对各种类型的结构形式都有较强的适用性。
6.3 受力分析时要选用正确的最不利荷载工况进行分析，选择错误的荷载工况组合会导致结构的安全隐患。
6.4 网壳结构为柔性屋面结构体系，下部结构在满足承载力的前提下还要为上部结构提供有效的刚度。
参考文献：
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[3]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南（第二版）[M]，北京：中国建筑工业出版社，2004
[4]钢结构设计规范，GB50017-2003
[5]空间网格结构技术规程，JGJ7-2010
论文作者:冯耀宁
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/13
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