張鵬
[摘 要]本文以某市橢球面網殼建筑結構為例，以建筑造型為基礎對空間桁架拱支單層網殼結構體系進行分析，從而明確建筑結構的實際受力情況和抗震性能。對不考慮檁條作用的建筑結構進行雙重非線性穩定分析，進一步明確了建筑結構中檁條的實際性能。本文就空間桁架拱支單層橢球網殼結構設計進行簡要探索，以促進建筑結構設計的科學性和合理性，僅供相關人員參考。
[關鍵詞]空間桁架 拱支單層橢球面網殼 結構 整體穩定性 雙重非線性
中圖分類號：U231.92 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）07-0299-01
網殼結構是與平板網架類似的空間桿系結構，在網格的形成上具有一定的規律性，主要通過網殼內兩個方向的拉力和壓力來實現力的傳遞，在建筑行業得到廣泛的關注，具有良好的發展前景?？臻g桁架拱支單層橢球面網殼結構具有一定的特殊性和復雜性，加強空間桁架拱支單層橢球面網殼結構的設計和分析，對于建筑物的質量控制具有重要的意義。
1 工程情況簡介
本文以某市建筑工程為例，對空間桁架拱支單層橢球面網殼結構設計進行分析，以更好的促進建筑物的整體可靠性和安全性。該工程主要位于城市北部小鎮，總體建筑面積達到44000平方米，水面面積約占三分之一，在建成之后將成為國內屈指可數的室內恒溫水上樂園。屋蓋呈橢球面網殼結構，平面投影為橢球形，該平面投影長軸200米，短軸150米。該工程對建筑室內的采光要求較高，因而該工程在較大范圍內采用玻璃材料，易于形成良好的采光效果。
2建筑屋蓋的結構體系優選
2.1 屋蓋結構體系優選。
在對屋蓋結構進行選取時，應當全面系統的對屋蓋造型及實際跨度結構進行合理的分析，在此基礎上設計合理的屋蓋結構方案，促進屋蓋結構體系得到有效的選擇。根據特定的荷載組合和實際約束力，對建筑物的實際用鋼量、通透性以及采光性進行合理的比較分析（見表1），進而促進建筑屋蓋結構體系的合理性和可靠性。
在型鋼拱方案中，對截面進行合理的選取，在此基礎上通過鋼管混凝土柱來實現對建筑水平力的有效承載，與此同時有效的減小跨度，從而有效的保證屋蓋的實際使用效果。通過對桿件截面以及桿件種類進行分析可知，該方案實際用鋼量較大。在雙層網殼方案中采用圓管截面，該方案對網殼落地處進行了合理的支座設置，實際用鋼量較小，且整體剛度較強，但實際采光性能及視覺效果并不客觀。拱支單層網殼結構對拱結構的穩定性和剛度進行了有效的利用，有效的改善了單層網殼結構的實際性能，從整體上提高了建筑結構的整體效能，具有良好的應用特性，與型鋼拱相比存在一定優勢，并且能夠在一定程度上滿足建筑物的實際采光性要求，具有良好的視覺效果。因此本工程決定采用拱支單層網殼方案，從而有效的保證建筑物結構設計的可靠性。
2.2 拱支單層網殼結構體系
拱支單層網殼結構主要分為九個區格，空間桁架主要呈“井”字形分布，長軸和短軸主要被分為三跨。在桁架之間進行適宜的馬道布置，拱支單層網殼結構體系主要呈八邊形。對空間桁架兩個方向上的拱跨度進行合理的控制，并對拱桁架的截面形態及上下弦之間垂直管心距離進行合理的控制，確保網格的實際規格滿足建筑物的質量要求。在此基礎上應當保證上弦平面網格的規格標準化，從而有效的保證拱支單層網殼結構的網格尺寸的一致性。
拱支單層網殼落地處設置混凝土環梁，與拱析架相交處的環梁改為鋼析架環梁，8段混凝土環梁和8段鋼析架環梁交替相連。拱支單層網殼支承于拱析架及周圈混凝土環梁上，拱析架的設置減小了網殼的跨度，改善了網殼的整體穩定性能。為了最大限度地減小網殼跨度及柱截面，拱析架交叉處采用了二級分叉樹狀支撐且第二級分叉樹狀支撐支承單層網殼。柱高為22.5 m，采用圓鋼管混凝土柱以減小柱截面；兩級分叉樹狀支撐則都采用圓鋼管。柱與分叉樹狀支撐的連接采用半個焊接空心球節點：半球與柱頂封板焊接，第一級分叉樹狀支撐焊接十球上。
3 結構基本特性分析
3.1 模型建立
采用ANSYS軟件建立拱支單層網殼有限元模型。采用Link10模擬且設置為僅能受拉，預應力施加采用初始應變法；同時建立表面效應單元以施加面荷載。檁托板上焊有十字形肋板，兩個方向的檁條都焊接于十字肋板上，檁條采用梁單元以模擬剛接作用。
在找形階段釋放拱腳處的水平約束并在荷載組合（1. 0恒+0. 5活）作用下對預應力進行優化，取拱腳節點處水平位移接近0時的預應力值（1 350kN）。結構設計時增大了拉索的安全系數，原因包括：拉索是結構的重要構件；拉索處于潮濕的地下環境且更換難度大。
鋼管混凝土柱底采用剛接，拱腳設置為三向鉸接?；炷镰h梁采用通過截面形心的梁單元而非實體單元模擬，因此需要耦合節點自由度。單層網殼48個支承點與混凝土環梁對應點耦合三個平動自由度，承臺對混凝土環梁的支承作用以約束豎向位移Uz的方式來考慮；鋼析架環梁4個角點與混凝土環梁中心點的6個自由度都進行耦合。
3.2 結構荷載
恒荷載包含：結構構件自重，由程序自動計算且取1.2的放大系數以考慮焊接空心球節點的質量；沿拱析架下弦分布的燈具和線槽自重為 1.SkN/m；屋面板自重（含檁條），分別考慮沿長軸（X向）和短軸（Y向）的風荷載，正風壓為1. 0kN/耐，負風壓為1.2kN/耐。
3.3 靜力分析
結構變形計算時，考慮了巧種荷載組合，其中最不利荷載組合是1. 0恒+1. 0活+降溫25 0C，對應的最大豎向位移是116. Smm。滿足規范要求。由十結構體型和荷載的對稱性，節點位移具有對稱性。拱析架把完整的網殼劃分成9個小區格，各個區格具有獨立變形的特點，且最大位移都發生在各自區格的跨中位置并向區格邊緣遞減，可見作為主受力體系的拱析架對單層網殼的支承作用明顯。樹狀支撐的使用擴大了鋼管混凝土柱的支承范圍，4個樹狀支撐所在區域的位移明顯減小。結構最大豎向位移發生在中央區格的跨中處，網殼底圈靠近混凝土環梁處的變形最小。結構承載能力計算時考慮了17種荷載組合，單元應力采用基屈服準則計算的等效應力。在最不利荷載組合（1. 2恒+1. 4活+ 1. 4降溫25 0C）下，結構的最大等效應力為204.3 MPa 。
4 整體穩定性分析
單層網殼設計的控制因素可能不是強度，而是結構的整體穩定性。特征值屈曲分析是線性分析且屬十分支點失穩，網殼初始缺陷的存在使得結構的屈曲性態由分支點失穩變成極值點失穩，而不會出現二次路徑，穩定分析時應采用非線性分析方法。
5 結論與建議
通過對該工程可能采用的是那種結構體系進行分析和探索，可知拱支單層網殼結構具有一定的優勢，拱桁架一定程度上實現了對大跨度單層網殼的合理劃分，從而對網殼結構實現了穩定的支承，適當降低結構合攏溫度，有助于維持結構的實際應力，一定程度上有助于經濟效益的提升。
參考文獻：
[1] 王亞麗.弦支拱析架—單層網殼復合結構體系的分析與研究[D].天津：天津大學，2012.
[2] GB 50755-2012鋼結構上程施上規范田」北京：中國建筑上業出版社，2012.
