科学之友 Ｆｒｉｅｎｄ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｍａｔｅｕｒｓ ２０１ ０年Ｏ５月 某双层柱面网壳钢结构厂房结构设计 李 霞 ，王 岗ｚ （１．太原大学建筑工程系，山西太原０３０００９；２．山西财经大学财经金融学院，山西太原０３０００６） 摘要：以某双层柱面网壳钢结构厂房为工程背景，利用有限元设计分析软件ＳＡＰ２０００对 该网壳进行了恒载、活载、风载下应力和位移分析，考察了该网壳的自振特性；并对钢网壳 屋盖的结构选型，荷载取值与工况组合，结构计算与分析进行了介绍；与设计软件３Ｄ３Ｓ的 结果进行对比。对比分析表明：有限元分析计算结果和设计软件计算结果基本接近，网壳各 杆杆及下部结构构件的强度、稳定和长细比均符合规范要求，该结构稳定可靠，满足设计、 施工和使用的要求。 关键词：结构设计；有限元分析；双层网壳；结构＿Ｔ－程 中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８１３６（２０１０）１４—００１９—０２ １ 网壳屋盖概况 某钢结构厂房采用钢柱支承的双层柱面网壳结构，受场地 限制该厂房平面不规则，厂房整体平面图，见图１。屋盖网壳最大 跨度３１．５ ｉｎ，厚度１．８ ｍ，失高５．８ ｉｎ，总高度１０．５ Ｉｎ，厂房整体侧 立面图，见图２，最小跨度９．２２０ ｍ，总长度１０５ ｉｎ。在方案阶段，根 据甲方要求厂房屋面要设计为曲面，同时考虑厂房平面不规则， 最后确定采用双层正交正方交叉桁架柱面网壳，下部支承结构 采用工字钢柱，厂房整体计算模型三维视图，见图３。网壳节点采 用焊接球，柱与网壳连接采用刚接，柱与基础刚接。在本设计中， 网壳采用钢管，截面为６０×３．０—１５９ Ｘ ８．０，工字钢柱截面为 Ｈ７００ Ｘ ３５０ Ｘ １６ Ｘ ２０，主体结构采用Ｑ２３５Ｂ钢，理论用钢量为 １２５ ｔ，约５０ｋｇ／ｍ 。 ２结构计算 ２．１荷载取值 （１）屋面恒荷载：钢管自重，屋面板材０．５ ｋＮ／ｍｚ。 （２）屋面活荷载：０．５ ｋＮ／ｍ 。 （３）风荷载：基本风压为０．４ ｋＮ／ｍ２，地面粗糙类型为Ｂ类。 （４）雪荷载：０．３５ ｋＮ／ｍ 。 （５）地震作用：抗震设防烈度为８度，设计基本地震加速度为 ０．２ ｇ，场地土类别Ⅲ类。 ２．２荷载组合 建筑物安全等级为二级，重要性系数取１．０，分项系数、组合 系数按《建筑结构荷载规范））（ＧＢ５０００９－－２００１）选取，参与组合的 荷载：恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载。计算了７种荷载组合如 下：①１．２０恒荷载＋１．４０活荷载；②１．２０恒荷载＋１．４Ｏ风荷载；③ １．２０恒荷载＋１．４０ Ｘ ０．９０活荷载＋１．４０ Ｘ ０．９０风荷载；④１．２０恒 荷载＋１．４０×Ｏ．５０活荷载＋１．３０地震荷载；⑤１．３５恒荷载＋１．４０× ０．７０活荷载＋１．４０ Ｘ ０．６０风荷载；⑥１．３５恒荷载＋１．４０ Ｘ ０．７０活 图１厂房整体平面图 荷载；⑦１．３５恒荷载＋１．４０ Ｘ ０．６０风荷载。 ２．３计算结果 本工程结构采用同济大学编制的３Ｄ３Ｓ软件进行设计计算， 采用有限元分析软件ＳＡＰ２０００进行校核计算。 ２．３．１ 结构的动力特性计算 结构前９个振型自振周期结果，见表１，部分振型图，见图４。 由振型图和结构的自振周期表可见：①两个程序计算的自振 表１结构自振周期 计算值 ３Ｄ３Ｓ ＳＡＰ２ｏｏ０ 误差 备注 Ｘ向平动振型 扭转振型 Ｔｌ ０．６３６ ８３ ０．５８５ ９３ ０．Ｏ５Ｏ９ Ｔ２ ０．４４３ ６１ ０．４２４ ０３９ ０．０１９ ５７ Ｔ３ Ｏ－３４７ ３３ ０．３１４ ４８２ ０．０３２ ８５ 自振周 Ｔ４ ０．３４５ ５１ Ｏ＿３１１ １Ｏ９ ０．０３４４ Ｔ６ ０．３２６１５ ０．３０１ ３３９ ０．０２４ ８ｌ Ｙ向局部弯曲振型 Ｙ向弯曲振型 扭转振型 期（Ｓ） Ｔ５ ０．３３８ ０８ ０．３０９ ７６１ ０．０２８ ３２ Ｙ向弯曲＋ｚ向弯曲振型 Ｔ７ Ｏ．３ｌ９１９ ０．２９６ ３７６ ０．０２２ ８１ Ｙ向弯曲＋ｚ向弯曲振型 Ｔ８ ０．２９８ ７８ ０．２７８ ５２８ ０．Ｏ２０２５ Ｚ向弯曲振型 Ｔ９ ０．２７９ ６２ ０．２６２ ７１４ ０．０１６ ９１ Ｙ向弯曲＋Ｚ向弯曲振型 １９— 图３厂房整体计算模型三维视图 一李 霞，王 岗：某双层柱面网壳钢结掏厂房结构设汁 表２结构最大位移 节点位移 ａ）第一振型 计算值 误差 备注 ３Ｄ３Ｓ ＳＡｐ２Ｏ００ 最大Ｘ向位移／ｍｍ １９．７ １７．８ 最大Ｙ向位移／ａｒｍ １８．９ １６．７ １．９ 结构的最大侧移满足ｈ／４００ ２．２ 结构的最大侧移满足ｈ／４００ 最大Ｚ向位移／ｍｍ ２８．９ ２５．４ ３．５ 结构的最大挠度满足１／２５０ 表３结构最大内力 计算值 误差 ３Ｄ３Ｓ ＳＡＰ２ｏ００ 发生位置 上弦杆 一最大轴力／ｋＮ 网壳杆 腹杆 一１８２．４ —１７０．１ ６．７％ 件轴力 最大轴力／ｌ【Ｎ 下弦杆 最大轴力／ｋＮ １９２．４ 一ｌ８１．２ ５．５％ 左边第七和第十榀桁架 跨中上弦 左边第七和第十榀桁架 一支座处腹杆 左边第四榀桁架支座处 １９５．０ －１９０．５ ４．５％ 下弦杆 Ｍｘｍａｘ／ｋＮ 一３１９．５ －３３８．５ ５．６％ 跨度最大位置柱脚 柱脚 反力 Ｒｖｍａｘ／ｋＮ ９４．８ １０１．８ ６盘％ 跨度最大位置柱脚 １００．８ ９７ ３．８％ 跨度最大位置柱脚 Ｒｚｍａｘ／ｋＮ 压杆件受力最大，其中上弦杆跨中杆件受力最大，下弦和腹杆均 为支座附近杆件受力最大。 通过３Ｄ３Ｓ设计计算和有限元程序ＳＡＰ２０００校核结果表明： 图４振型图 周期很接近，阵型相同只存在微小的差异；②结构的自振周期较 小，表明结构的刚度较大；③前两个振型为ｘ向水平振型和扭转 振型，均为下部结构振型，这与双层网壳刚度较大，相比下部结构 刚度较小相符。从第三阵型开始为Ｙ向弯曲和与ｚ向弯曲的组 各个杆件的强度、稳定和长细比均符合规范要求，该结构稳定可 靠，满足设计、施工和使用的要求。 ３结束语 近年来，人们对空间结构的认识在不断的深入，它在工程实 际中的应用也逐渐广泛。空间结构有着巨大的市场前景和潜力， 这种结构在达到自身安全性、耐久性和经济性的同时，还能给人 以气势恢宏的力度和美感。现代结构的建筑化，充分体现了力与 美的完美统一。 参考文献： 合耦合振型，频谱较为密集，这与双层网壳的整体刚度较大的实 际情况相符合，充分体现了双层网壳结构的动力特点。 ２．３．２结构的静力计算 由于篇幅的限制，文章的结构静力计算只考虑１．３５恒荷载 ＋１．４０ Ｘ ０．７０活荷载一种组合的计算。结构最大位移计算结果，见 表２，结构的最大内力计算结果，见表３。 ， 由图表可见，两种程序计算结果基本接近。且由上述计算可 知，在第一种荷载组合下，双层网壳上弦杆、下弦杆、腹杆均以受 【１】《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００１－－２００１） ｆ２１《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７－－２００３） ［３】《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１ １—２ｏ０１） Ｂａｒｒｅｌ Ｖａｕｌｔｓ ０ｆ ａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ０ｆ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｎｔ Ｌ』Ｘｉａ。Ｗａｎｑ Ｇａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ａ ｂａｒｒｅｌ ｖａｕｌｔｓ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＳＡＰ２０００ ｓｈｅｌｌ ｍａｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅａｄ ｌｏａｄ，ｌｉｖｅ ｌｏａｄ，ｗｉｎｄ ｌｏａｄ ｏｆ ｓ￣ｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｏｆ ｈｅ ｖｉｔｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ３Ｄ３Ｓ ｈｅ ｒｅｓｕｌｔｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｌａｔｔｉｃｅ ｓｈｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｌｏａｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｎ ｓｏｆｇｔｗａｒｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｌｍｏｓｔ ｓｉｍｉｌａｒ．ｔｌ１ｅ ｌｅｖｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｓｈｅｎ ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｓｌｅｎｄｅｒｎｅｓｓ ｒａｔｉｏ ａｒｅ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｏ ｍｅｅｔ ｈｅ ｄｅｓｉｔｇｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｅ ｏｆ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｏｕｂｌｅ ｓｈｅｌｌ；ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 一２０—