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（上海通正鋁結(jié)構(gòu)建設(shè)科技有限公司，上海201107）

1 工程概況

廬山植物園山南分園（科技小鎮(zhèn)）項(xiàng)目位于廬山市溫泉鎮(zhèn)趙家垅村附近區(qū)域，場(chǎng)地由繞廬山公路及九江繞城高速分割，共分為3 個(gè)地塊：繞廬山公路北側(cè)地塊（A 地塊）；繞廬山公路南側(cè)、九江繞城高速北側(cè)地塊（B 地塊）；九江繞城高速南側(cè)地塊（C 地塊）。 根據(jù)場(chǎng)地條件布局植物溫室展覽、濕地體驗(yàn)觀光、入口綜合服務(wù)、科研試驗(yàn)辦公、果蔬宿營(yíng)基地、植物專類園區(qū)、育種育苗生產(chǎn)的七大功能分區(qū)。 植物園溫室展覽區(qū)位于A地塊中心處，設(shè)置停車場(chǎng)、草坪劇場(chǎng)、沙漠館、熱帶雨林館、齊歡樂聚館、森活劇場(chǎng)等功能。 本文主要對(duì)植物園溫室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系為鋁合金單層網(wǎng)殼， 鋁合金網(wǎng)殼具有節(jié)能環(huán)保、自重輕、抗震性能好、終身免維護(hù)及外觀美觀等特點(diǎn)。該項(xiàng)目為植物園溫室，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性要求較高，同時(shí)該項(xiàng)目造型復(fù)雜，結(jié)合建筑造型和使用功能的要求，最終選擇鋁單層網(wǎng)殼為本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)體系[1]。

2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

本項(xiàng)目溫室區(qū)域包括：溫室A 區(qū)、溫室B 區(qū)、溫室C 區(qū)、連接體L1、連接體L2，共5 個(gè)部分。

溫室區(qū)域的結(jié)構(gòu)單體情況如下：

1）溫室A 區(qū)、溫室B 區(qū)和連接體L1，3 個(gè)區(qū)域連為一個(gè)結(jié)構(gòu)單體，屋面采用空間鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，局部位置采用鋼構(gòu)件；

2）溫室C 區(qū)為一個(gè)結(jié)構(gòu)單體，屋面采用空間鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，局部位置采用鋼構(gòu)件；

3）連接體L2 為一個(gè)結(jié)構(gòu)單體，主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)形式，落地鋼柱柱腳鉸接，屋面兩側(cè)與溫室A 區(qū)和溫室C 區(qū)的屋面結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全脫開，形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單體。

本項(xiàng)目溫室屋蓋建筑形態(tài)近似落地拱形網(wǎng)殼， 共分為3個(gè)拱殼：

1）溫室A 區(qū)：網(wǎng)殼兩個(gè)方向跨度分別為60 m 和64.5 m，矢高約為22 m，矢跨比約為0.367；

2）溫室B 區(qū)：網(wǎng)殼兩個(gè)方向跨度分別為40 m 和53.3 m，矢高約為14.1 m，矢跨比約為0.353；

3）溫室C 區(qū)：網(wǎng)殼兩個(gè)方向跨度分別為42.1 m 和45.5 m，矢高約為9.5 m，矢跨比約0.226。

區(qū)域A 和B 之間的連接區(qū)L1：網(wǎng)殼兩個(gè)方向跨度分別為11.5 m 和52 m，矢高約為7.6 m，矢跨比約為0.66。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 主要構(gòu)件規(guī)格

A 館的鋁桿件主要規(guī)格為H450 mm×180 mm×8 mm×15 mm，B 館和C 館的鋁桿件主要規(guī)格為H400 mm×180 mm×8 mm×14 mm，A 館主鋼梁尺寸為□800 mm×250 mm×25 mm×25 mm，B 館和C 館主鋼梁尺寸為□700 mm×250 mm×20 mm×25 mm。

3.2 結(jié)構(gòu)材料信息

本項(xiàng)目選用的鋁合金材料為6061-T6，選用的鋼材為Q355B（主要分布在曲面銜接位置及部分受力較大的位置）， 鋁合金桿件板式連接節(jié)點(diǎn)處采用鋁合金專用不銹鋼環(huán)槽鉚釘M10。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為50 a， 建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)， 本項(xiàng)目考慮的主要荷載通過面荷載施加于網(wǎng)殼之上，所取荷載具體如下：

1）結(jié)構(gòu)自重：由程序自動(dòng)添加并計(jì)算，并考慮1.15 的放大系數(shù)；

2）恒荷載：玻璃幕墻荷載為0.5 kN/m2，并考慮吊掛荷載0.25 kN/m2；

3）活荷載：不上人屋面活荷載取為0.5 kN/m2。計(jì)算中考慮半跨活載的不利布置影響。

4）雪荷載：根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]，本項(xiàng)目50 a 一遇的基本雪壓為0.40 kN/m2，100 a 一遇的基本雪壓為0.45 kN/m2?？紤]到該空間屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu)，對(duì)雪荷載取值較敏感，本項(xiàng)目按100 a 一遇基本雪壓0.45 kN/m2取值設(shè)計(jì)，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)Ⅲ區(qū)，局部位置根據(jù)屋面造型考慮雪荷載堆積效應(yīng)。

5）風(fēng)荷載：根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本項(xiàng)目50 a 一遇的基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，100 a 一遇的基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2?？紤]到該空間屋蓋為大跨度空間結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)荷載取值較敏感，按100 a 一遇基本風(fēng)壓0.40 kN/m2取值。

6）溫度作用：50 a 重現(xiàn)期的月平均最高氣溫29 ℃，月平均最低氣溫-9 ℃。 結(jié)構(gòu)合攏溫度控制在5～15 ℃。 最終考慮升溫24 ℃，降溫-24 ℃。

7）地震作用：根據(jù)GB 50023—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[3]建筑抗震設(shè)防類別為丙類（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類），根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，地震分組為第一組，按Ⅲ類場(chǎng)地，特征周期為0.45 s，多遇地震下結(jié)構(gòu)阻尼比為0.03。

4 計(jì)算分析模型

分析模型：設(shè)計(jì)中利用3D3S（2021 版）軟件建立上部空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。 A、B 館和C 館分別為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單體， 在模型中分開考慮，如圖1 所示。

圖1 A、B館及C館3D3S空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及材料分布圖

荷載傳導(dǎo)：通過封閉面將荷載均布施加于桿件之上。

桿件類型：一般梁?jiǎn)卧W拉梁）。

邊界條件：支座均為三向固定鉸接支座。

5 靜力分析結(jié)果

5.1 變形分析

在恒活荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合下，選取幾個(gè)有代表性的位置，如圖2 所示。

圖2 A、B館和C館結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

經(jīng)軟件分析，A 館網(wǎng)殼測(cè)點(diǎn)A 在恒載+ 活載作用下的最大變形為-72.5 mm， 在恒載+ 雪荷載作用下的最大變形為-82 mm；B 館網(wǎng)殼測(cè)點(diǎn)B 在恒載+ 活載作用下的最大變形為-23 mm， 在恒載+雪荷載作用下的最大變形為-26 mm；C 館網(wǎng)殼測(cè)點(diǎn)C 在恒載+ 活載作用下的最大變形為-32 mm，在恒載+雪荷載作用下的最大變形為-35 mm （負(fù)號(hào)表示位移向下，正號(hào)表示位移向上）。

其中，A 館的跨度為60 m，B 館的跨度為40 m，C 館的跨度為42.1 m，結(jié)構(gòu)跨中的最大撓跨比分別為：A 館1/732、B 館1/1540、C 館1/1 200，均滿足JGJ 7—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]中單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)變形的限值1/400 的要求。

5.2 強(qiáng)度分析

經(jīng)軟件計(jì)算，本項(xiàng)目A、B 館及C 館所有桿件均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，且大部分桿件應(yīng)力比控制在0.8 以內(nèi)。

5.3 整體穩(wěn)定分析

采用3D3S 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定承載力計(jì)算，先通過線性屈曲分析結(jié)果得到A、B 館和C 館的屈曲模態(tài)，以便分析結(jié)構(gòu)的不利位置，再根據(jù)一階模態(tài)結(jié)果添加初始缺陷（L/300，L為網(wǎng)殼的跨度），并考慮幾何非線性，以得到考慮單非情況下的穩(wěn)定承載力結(jié)果。

根據(jù)軟件分析，A、B 館在恒載+ 活載作用下的一階模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)為18.5，C 館在恒載+ 活載作用下的一階模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)為30.2，A、B 館和C 館的一階模態(tài)均為局部失穩(wěn)，且發(fā)生在變形最大位置處。

根據(jù)線性屈曲分析結(jié)果，對(duì)A、B 館和C 館引入幾何缺陷（L/300），再分別對(duì)A、B 館和C 館進(jìn)行幾何非線性分析，可得如圖3 所示結(jié)果。

圖3 A、B館及C館帶缺陷的荷載-位移曲線

由上述結(jié)果可知，A、B 館的極限荷載因子為26.0，C 館的極限荷載因子為34.5，均遠(yuǎn)大于規(guī)范T/CECS 634—2019《鋁合金空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]要求3.0 的限值，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，極限承載能力較強(qiáng)。

6 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用ABAQUS 進(jìn)行建模計(jì)算分析，由于本項(xiàng)目個(gè)別節(jié)點(diǎn)較復(fù)雜，且在空間上位于多桿交匯處，為了使計(jì)算結(jié)果更符合節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力狀態(tài)， 采用Rhino 建立節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型，然后將其輸入ABAQUS/CAE 有限元程序中，進(jìn)行有限元分析。

以A 館和B 館交接位置處的支座節(jié)點(diǎn)為例，從3D3S 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中提取該節(jié)點(diǎn)最不利工況下的內(nèi)力進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析。本次節(jié)點(diǎn)模型采用C3D10 單元類型劃分網(wǎng)格，此單元類型比線性單元能得到更精確的模擬結(jié)果， 由于網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性和效率也有一定影響，所以，模型的網(wǎng)格尺寸為30 mm。

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布如圖4 所示， 應(yīng)力最大值均在屈服應(yīng)力（355 MPa） 以內(nèi)， 此節(jié)點(diǎn)在最不利荷載下仍基本處于彈性狀態(tài)，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖4 節(jié)點(diǎn)三維模型及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖

7 結(jié)論

廬山杏林溫室項(xiàng)目作為江西省的重點(diǎn)項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，建筑造型優(yōu)美。

1）本項(xiàng)目采用了鋁結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，在曲面的銜接位置引入鋼箱梁作為鋁單層網(wǎng)殼的連接點(diǎn)， 既滿足結(jié)構(gòu)受力要求，也滿足節(jié)點(diǎn)構(gòu)造要求，同時(shí)能最大限度地滿足建筑造型要求。

2）本項(xiàng)目采用3D3S 軟件對(duì)溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種工況下的靜力分析，得到了結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力等結(jié)果，并根據(jù)其結(jié)果對(duì)部分構(gòu)件截面進(jìn)行了調(diào)整，以滿足規(guī)范要求。

3）采用了3D3S 軟件對(duì)溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體穩(wěn)定分析，得到了結(jié)構(gòu)的特征值屈曲系數(shù)和非線性穩(wěn)定屈曲系數(shù)， 經(jīng)計(jì)算分析可知，該結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，極限承載能力較強(qiáng)。

4）由于該項(xiàng)目部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較復(fù)雜，因此，采用RHINO進(jìn)行三維建模， 并用ABAQUS 軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，以保證節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性和安全性。