某商业中心屋面复杂网架结构分析

江世茹，张 斌

(西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

某商业中心屋面复杂网架结构分析

江世茹，张 斌

(西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

某商业中心屋面网架结构空间几何造型复杂，跨度和局部悬挑都较大，并且限制网架厚度.采用SAP2000结构分析软件对该屋面网架结构进行了有限元分析，通过对结构的模态分析得到了结构的振型和自振周期，又对结构进行了反应谱分析从而得到了结构的基底剪力和倾覆力矩，通过内力计算得出了杆件截面并做出了优化.对支座采取了构造措施，使用橡胶支座和滑动支座，达到了更好地释放温度应力的效果.

网架结构;网格;网架厚度;结构分析;内力计算

随着我国经济建设的快速发展，人们需要的建筑空间也在不断增大.空间网格结构在近年发展迅速，网架结构作为网格结构的一种，以较好的适用性、安全性和经济性得到了较快的发展和广泛的应用［1］.笔者以某商业中心屋面网架结构为研究对象，从该网架的结构形式、结构分析及设计等方面进行了研究.

1 工程结构

某商业活动中心屋面平面轮廓为不规则曲线.建筑外面上宽下窄，为四层框架结构，主体结构高度为28 m.屋面距主体结构屋面8 m，由35根混凝土柱与主体结构连接，一端接地，最大悬挑距离17 m.屋面水平投影长度方向的最长距离为140 m，宽度方向的最长距离为47 m，最小距离为34 m.由于接地部分周围有行人通过，建筑要求不影响视觉效果，接地部分结构宽度不能大于1 m，而顶部由于要包建筑外板，顶部结构厚度不能大于2.4 m.

该工程采用双层网架形式［2］.网架由正放四角锥和部分三角锥的网格组成，正放四角锥网架是由倒置的四角锥体为组成单元，锥底的四边为网架上弦杆，锥棱为腹杆，各锥顶相连即为下弦杆.网格划分为2.1 m ×2.1 m，1.5 m ×1.5 m 两种.由于建筑要求，网架厚度取2.1 m，接地处厚度取1 m.

由于网架较为复杂，首先采用AutoCAD进行三维建模.初步模型的接地端与顶部交接处较为粗略，剖面为折线，进行到后续的计算时，在接地端和顶端交界处出现了应力集中，对结果产生了不利影响.后经多次调整模型，把接地端与顶面交接处改为单曲面，计算结果得到很大改善.最后的CAD三维模型如图1所示.

图1 CAD三维模型

2 结构分析

2.1 荷载取值

上弦恒荷载主要考虑屋面板自重，根据建筑提供的材料，取0.3 kN/m2.下弦恒荷载主要考虑吊顶荷载和灯的自重，取0.5 kN/m2.

活荷载主要考虑雪荷载以及安装时安装人员的自重，取 0.5 kN/m2.

工程所在地50年一遇的基本风压为0.45 kN/m2，各部分的体型系数us取值参考文献［3］，根据公式wk=βzusuzω0计算得到风荷载标准值［3］.

2.2 荷载组合

建筑安全等级为二级，重要性系数为1.0.分项系数、组合系数按文献［3］选取，参与组合的荷载有恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载.参与计算的荷载组合为:①1.2恒荷载 +1.4活荷载;②1.2恒荷载+1.4 风荷载;③1.2 恒荷载 +1.4 ×0.9(活荷载 +风荷载);④1.35 恒荷载 +1.4 ×0.7 活荷载;⑤1.35恒荷载 +1.4 ×0.6 风荷载;⑥1.35 恒荷载 +1.4 ×0.7 活荷载 +1.4 ×0.6 风荷载;⑦1.2(恒荷载 +0.5活荷载)+1.3地震荷载;⑧1.2(恒荷载 +0.5活荷载)+1.3地震荷载+1.4风荷载.

2.3 支座构造措施

在支座上应采取构造措施，即采用橡胶支座和滑动支座.由于屋面网架结构是一个整体，中间没有变形缝，采用这两种支座对释放温度应力有利［4］.该工程在中央部分的两排柱子柱顶设置橡胶支座，周围其余采用滑动支座.

2.4 内力计算

2.4.1 边界条件

网架接地端与地面为铰接(约束X，Y，Z方向平动)，顶端由35根混凝土柱与主体结构相连，所以柱底与主体结构为刚接(约束X，Y，Z方向平动和转动).

2.4.2 杆件截面优化

整个结构全部由杆单元组成，各单元之间均为

由表1及图2—5可知，网架Y向刚度大于X向刚度，在接地端和顶端交界处的部分刚度较小，悬挑铰接，由高强度螺栓球连接.根据各荷载工况组合，采用分析软件SAP2000，首先指定一个初选截面，由软件进行迭代计算，得到最优化截面.然后以此组截面为准，分析计算在各工况组合下的结构反应，局部调整不符合要求的截面，最终得出结构的杆件截面.采用Q235无缝钢管，杆件规格为:d89×4，d95×5，d108 ×6，d121 ×6，d140 ×8［5］.

2.4.3 挠度控制

经过计算得到结构的最大节点位移出现在结构右下端的上弦节点(悬挑17 m处)，竖向位移最大值为126 mm，满足《网架结构设计与施工规程》(JGJ7—91)中用作屋盖的网架挠度不大于L/250(136 mm;L为短向跨度)的规定，悬挑部分挠度不大于L/128(132 mm;L为悬挑长度)的规定［6］.

2.5 模态分析

第1振型为X向平动，自振周期为0.616 48;第2振型为Y向平动，自振周期为0.587 15;第3振型为整体扭转，自振周期为0.579 35.其他振型的自振周期和频率见表1，前4阶振型如图2—5所示.距离较大的顶端右下部分刚度也较小，出现局部振动，在进行截面设计时应适当加大构件截面.

表1 自振周期和频率表

2.6 反应谱分析

结构基底剪力和倾覆力矩见表2.结构在反应谱工况下，X向基地剪力为1 300.47 kN，Y向基地剪力为1 293.68 kN.X向基地剪力大于Y向基地剪力，说明结构在X向抵抗剪力能力较强，主要原因为结构X向尺寸大于Y向尺寸，X向的水平抗侧力构件要多于Y向.结构在X向、Y向和Z向的倾覆力矩分别见表2，Z向的倾覆力矩最大，说明结构绕Z轴的抵抗反转能力最强.

表2 基底剪力和倾覆力矩

3 结语

1)该工程屋面造型优美，但给结构设计带来了很大的难度.采用网架结构能很好地满足建筑造型要求和结构受力变形要求，并且施工安装方便.

2)通过该工程设计可以得出，在网架结构设计时，不用拘束采用固定的模式，应该根据实际情况，在原有的网架上灵活布置杆件，以达到经济合理，外观造型、受力变形等方面的要求.

3)采用橡胶支座和滑动支座可以减小最下部架构的水平推力.

4)通过有限元分析软件SAP2000的分析与计算，结果表明，该网架结构稳定可靠，杆件的强度、稳定性和长细比都满足规范要求.

［1］邓勇军，姚勇，张兆强，等.某大跨空间网架结构抗震加固数值分析研究［J］.建筑结构，2012，10(2):55 －58.

［2］李晓润，李文，王燕.首都经济贸易大学体育馆钢结构网架滑移施工安装技术［J］.钢结构，2011，25(5):15－18.

［3］中国建筑科学研究院.GB50009—2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［4］张艳明.烟台火车站异型悬挑网架安装方案选择及关键技术［J］.建筑技术，2009，21(10):89 －93.

［5］北京钢铁设计研究总院.GB50017—2003钢结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［6］中国建筑科学研究院.GB50011—2001建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

Analysis on Complex Grid Structure of a Commercial Center Roof

JIANG Shi-ru，ZHANG bin
(Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China)

The roof grid structure of a commercial center is researched in this paper.This grid structure has a complex geometry form，long span and big local overhang.What's more，the thickness of the structure is limited.The structural analysis software SAP2000 is adopted to make a finite element analysis for the grid structure.Through the modal analysis on the structure，the structure's vibration shape and the natural vibration period are obtained.By the spectrum analysis，the structure's basal shear and overturning torque are acquired.Through the internal force calculation，the section of the rod piece is obtained and its optimization is made.The structural measures are taken for the supports，and the temperature stresses are more effectively released by the use of the rubber support and sliding support.

grid structure;grid;grid thickness;structural analysis;internal force calculation

1002－5634(2012)03－0044－03

2012－03－19

国家自然科学基金面上项目(51178388).

江世茹(1987—)，男，河北邢台人，硕士研究生，主要从事空间网格结构方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)