■凌 江 ■深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 深圳 518000

1 工程概況

某復(fù)雜網(wǎng)架平面尺寸為78米×25米，采用正放四角錐網(wǎng)架形式，屋面為隱框玻璃，如圖1、圖2網(wǎng)架建筑效果圖、網(wǎng)架正立面、側(cè)立面圖。網(wǎng)架共設(shè)有6個(gè)支座，側(cè)立面中右側(cè)四個(gè)支座位于混凝土建筑的屋面，中部三個(gè)支座分別為兩側(cè)兩個(gè)三角形桁架及中部空間三角形裝飾桁架，支座直接落于地面轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)支座。網(wǎng)架側(cè)平面懸挑14米，支座間Y向跨度11米。

圖1 建筑效果圖

圖2 網(wǎng)架正立面、側(cè)立面圖

建設(shè)地點(diǎn)抗震設(shè)防烈度地震烈度為七度，地震分組為第二組，加速度為0.15g;50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓:0.80kN/m2，不考慮雪荷載，地面粗糙度類(lèi)別:C類(lèi)，場(chǎng)地類(lèi)別為:II類(lèi)。

1.1 結(jié)構(gòu)體系

1.1.1 網(wǎng)架特點(diǎn)

網(wǎng)架造型新穎，但對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)難度較大，網(wǎng)架設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)支座落差大(22.4米)，一邊支座位于地面、一邊支座位于混凝土結(jié)構(gòu)屋面，受水平地震影響敏感。(2)屋面懸挑大，懸挑距離為14米，網(wǎng)架根部高度3.0米，跨高比4.67。(3)網(wǎng)架為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)體系，建設(shè)地點(diǎn)風(fēng)荷載大，風(fēng)荷載工況復(fù)雜。(4)網(wǎng)架低區(qū)支座立面呈w型，下面兩個(gè)支座轉(zhuǎn)換到網(wǎng)架變?yōu)?個(gè)支座，支座節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜。

1.2 網(wǎng)架考慮荷載工況及組合

結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)荷載包括:自重荷載、活荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、地震作用。

設(shè)計(jì)考慮主要荷載基本組合為:

1.20 D+1.40L

1.35 D+0.70×1.40L

1.20 (1.00)D ±1.40W

1.20 (1.00)D ±1.40T

1.20 (1.00)D±1.40W+0.60×1.40T

1.20 (1.00)D±1.40T+0.60×1.40W

1.20 (1.00)(D+0.50L)±0.2×1.40W+1.30Ehk+0.50Evk

1.20 (1.00)(D+0.50L)±0.2×1.40W+0.50Ehk+1.30Evk

其中D:恒載;L:活載;W:風(fēng)載;T:溫度;Ehk:水平地震;Evk:垂直地震。括號(hào)中數(shù)值為恒載有利時(shí)取值。

1.3 網(wǎng)架支座設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地面支座位置設(shè)計(jì)為鉸接節(jié)點(diǎn)，地面支座的位置存在多桿件交匯，設(shè)計(jì)采用800mm直徑鋼半球連接各個(gè)交匯桿件，其中交匯桿件存在搭接節(jié)點(diǎn);屋面支座采取剛性節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)架下設(shè)置剛度較大的箱型截面柱與屋面連接，在網(wǎng)架與箱型連接位置采取空間桁架過(guò)渡，增加鋼柱與網(wǎng)架整體間的抗彎剛度。另外考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)性能較弱，在中部三角形桁架與混凝土結(jié)構(gòu)間設(shè)置連接件。增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)安全儲(chǔ)備。

1.4 網(wǎng)架主要桿件截面

網(wǎng)架支撐W桁架，兩側(cè)為截面為三角形的管桁架結(jié)構(gòu)，三角形邊長(zhǎng)為1200mm，桁架主管件采用299mm的鋼管。中部三角形桁架邊緣構(gòu)件采用325～500mm直徑鋼管，桁架中部采用豎向桁架將三角形邊緣桿件聯(lián)系成空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架底部與W桁架連接位置采用焊接空心球節(jié)點(diǎn)，球直徑為1000mm，壁厚35mm。

整體網(wǎng)架采用正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)網(wǎng)架中部高度為3米，端部高度為1.5m，桿件直徑規(guī)格168mm～245mm。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)分析采用國(guó)際通用有限元軟件Sap2000，網(wǎng)架及桁架桿件以桿元模擬，網(wǎng)架桿件計(jì)算采用兩端鉸接、桁架支管采用兩端鉸接、兩端剛接分別計(jì)算。

2.1 計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)前三周期分別為1.14s、1.01s、0.58s，前兩周期為平動(dòng)，第三周期為豎向振動(dòng)。周期計(jì)算采用特征周期法，計(jì)算振型數(shù)為60個(gè)，X、Y、Z三個(gè)方向質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%。

計(jì)算分析中，考慮結(jié)構(gòu)高低支座易引起鞭梢效應(yīng)問(wèn)題，對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)采用放大3倍水平地震力考慮(參照抗規(guī)［1］5.2.4條)。風(fēng)荷載屬于本工程主要控制荷載，對(duì)于網(wǎng)架部分考慮風(fēng)荷載向上風(fēng)壓的體形系數(shù)為2.0(參照荷載規(guī)范［2］8.3.3)。溫度荷載考慮±20°。

分析可知，網(wǎng)架在自重標(biāo)準(zhǔn)組合下最大豎向變形在懸挑末端為95mm(1/147)，大部分為恒載下變形，通過(guò)結(jié)構(gòu)起拱處理。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下最大變形同樣位于懸挑末端為67mm(1/209)。

網(wǎng)架中桿件最大應(yīng)力比位于桁架支撐點(diǎn)附近，應(yīng)力比為0.73，網(wǎng)架立柱最大應(yīng)力比為0.78?？傮w構(gòu)件應(yīng)力比水準(zhǔn)控制在0.8以?xún)?nèi)?？刂茟?yīng)力比主要工況為風(fēng)荷載工況及地震組合工況。

2.2 屈曲分析

屈曲分析主要按第一類(lèi)穩(wěn)定問(wèn)題分析，第一類(lèi)失穩(wěn):又稱(chēng)平衡分岔失穩(wěn)、分枝點(diǎn)失穩(wěn)、特征值屈曲分析。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)相應(yīng)的載荷可稱(chēng)為屈曲載荷、臨界載荷、壓屈載荷或平衡分枝載荷。

計(jì)算中考慮幾何初始缺陷，即以自重作用(或其他工況)下的第一屈曲模態(tài)作為初始缺陷，缺陷最大值考慮跨度的1/300(空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范4.3.3)［3］，計(jì)算分析考慮幾何非線(xiàn)性(P－Δ效應(yīng))。

在Sap2000中先計(jì)算自重作用下的第一屈曲模態(tài)，將計(jì)算得出模態(tài)的變形導(dǎo)出到電子表格中按1/300的目標(biāo)要求重新修改各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，其后將新的坐標(biāo)值重新導(dǎo)入進(jìn)Sap2000模型，即完成初始缺陷的重新坐標(biāo)賦值。其后再設(shè)置Bucking工況［3］進(jìn)行屈曲分析。

計(jì)算分析第一模態(tài)屈曲因子為9.26，風(fēng)荷載工況下第一模態(tài)屈曲因子為8.19，均大于規(guī)范要求限值4.2［4］。桿件屈曲位置位于中部三角形桁架邊緣桿件。

2.3 重要節(jié)點(diǎn)分析

本工程桁架支座節(jié)點(diǎn)為受力最大，也是最復(fù)雜節(jié)點(diǎn)。共有6根桿件交匯，三根299mm桿件、兩根325mm桿件、一根500mm桿件。其中四根桿件存在交匯。節(jié)點(diǎn)交匯位置設(shè)置1000mm直徑空心鋼半球連接至基礎(chǔ)埋件，空心鋼半球壁厚35mm，半球內(nèi)部設(shè)置沿管件軸線(xiàn)方向加勁板，并使加勁板與支座鋼板焊接。

節(jié)點(diǎn)分析采用sap2000軟件，將所有桿件以四邊形殼單元模擬，節(jié)點(diǎn)半球及內(nèi)部加勁板也采用殼元模擬，所有接觸面均采用節(jié)點(diǎn)擬合，搭接管與被搭接管位置直接裁剪，以符合實(shí)際情況。單個(gè)殼元尺寸不大于50mm。節(jié)點(diǎn)分析模型采用嵌于整體模型中的方式，殼元邊界與桿元邊界采用體束縛方式擬合。

節(jié)點(diǎn)模型及分析結(jié)果詳圖3，分析結(jié)果可直接選取計(jì)算組合工況，通過(guò)對(duì)比支座最大應(yīng)力控制工況為1.35D+0.98L，應(yīng)力集中在管桿件邊緣位置，最大米塞斯應(yīng)力為275N/mm2，滿(mǎn)足材料強(qiáng)度要求。

圖3 節(jié)點(diǎn)分析模型及計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算符合規(guī)范要求，并留有一定安全儲(chǔ)備。對(duì)于類(lèi)似工程設(shè)計(jì)建議特別關(guān)注以下幾點(diǎn):(1)分析并找出最不利荷載控制工況，以及找出結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所在;(2)復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行屈曲分析，找出屈曲薄弱位置，并適當(dāng)進(jìn)行加強(qiáng);(3)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元的分析，對(duì)節(jié)點(diǎn)受力有直觀(guān)認(rèn)識(shí)并優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］GB50011－2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB50009－2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［3］Sap2000.中文使用指南［N］.

［4］JGJ7－2010.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］.