某双层球面网壳结构设计

李 放

(山西国电置业有限公司，山西太原 030002)

1 工程概况

该工程为某一体育场馆的屋盖工程，采用混凝土框架结构为其下部支撑，屋盖采用波形网壳形式(如图1，图2所示)，以实现建筑形态的美观和满足建筑功能设计的需要。空间网格结构在均布荷载作用下其内力呈均匀的连续变化，即使是在集中荷载作用下，内力也能较快的分散传递开来。结构采用双层施威德勒型交叉桁架球面网壳结构形式，通过径肋把球面分为对称的扇形曲面。在每个扇形面内，再由杆件和斜杆组成大小较均匀的三角形网格。通过层间竖向、斜向撑杆支承屋面结构，屋盖跨度60 m，矢跨比为1/6。

图1 圆形网壳俯视图

2 计算简图

网壳结构说明见表1，计算模型见图3。

3 设计依据

本论文参照工程建筑效果图和下部结构施工图进行设计，在建模计算上使用空间结构设计软件3D3S，在做动力分析时使用钢结构分析软件SAP2000。设计依据相关结构设计规范:JGJ 7-91网架规范、GB 5017-2001钢结构设计规范、GB 5009-2001建筑结构荷载规范。

图2 圆形网壳侧视图

表1 网壳结构说明

图3 圆形网壳计算模型

4 设计荷载

因为本工程为双层球面网壳的形式，荷载取值根据网壳结构设计规范。由于此结构的建筑高度较大，设计时需要考虑地震荷载的影响。地震荷载的大小为根据GB 50011-2010建筑抗震设计规范［12］，地区为陕西西安，规范选取设防烈度为8度，地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组。建筑场地类别拟设为Ⅲ类。

在采用反应谱分析结构在地震作用下的反应状况时，应该考虑结构阻尼的影响。此网壳结构阻尼比取ζ=0.02。计算荷载时按照国家标准GB 50011-2001建筑抗震设计规范确定内力设计值。结构设计基准期为50年。结构采用抗震设计，同时考虑施工时温度对结构产生的影响，温度的取值选取了－20℃～20℃的温度荷载作用，通过上述的各种永久荷载和可变荷载及偶然荷载的组合作用，确定出结构的内力设计值。

5 结果分析

本结构在设计时首先采用钢结构设计软件3D3S对结构的动力特性进行计算，分析了结构的几个震动模态;然后用SAP2000中的反应谱法计算地震力作用下结构的形态;最后考虑了在地震的水平力、竖向力和其他各种荷载的组合作用下，结构的杆件的内力大小以及构件的强度和稳定性情况。

1)动力特性分析。

2)结构振型分析。该结构为施威德勒型交叉桁架球面网壳，通过对其进行动力特性的模态分析，表2结构自振频率描述出结构前9阶振型的自振周期结果及振动形式。由结构自振频率和振型分析可知，网壳结构频谱相当的密集，既有水平振型也有竖向振型，两者交叉出现，因结构的矢跨比较小，其模态形式接近平板网架的受力状态，后面的振型也以竖向振型为主。第一振型和第二振型为平面外的弯曲，第三振型和第四振型为竖向振动，其他振型主要集中在平面外弯曲或是耦合振动形式。计算结果表明，结构第一振型周期为0.376 93 s，说明该结构的刚度较大，并且无扭转振型，因而该结构设计能够满足使用要求。

表2 结构自振频率

3)结构的静力计算。主要计算在各种荷载的作用下，该设计结构的杆件内力和结构位移，并考虑地震力的作用与温度荷载。通过计算各种荷载组合，得出网壳结构杆件的最大内力和结构的最大位移，如表3所示，结构杆件中单元的强度和稳定性见表4。

表3 结构各节点最大位移 mm

表4 “强度应力比”最大的前10个单元的验算结果

表3和表4的计算结果表明:在各种荷载组合作用下，该结构各向节点最大位移能够符合设计规范要求，该结构设计可满足使用要求。

6 结语

通过对结构在各种工况下的受力分析得出:本结构的尺寸拟定和杆件布置形式均符合设计要求。结构中杆件的强度、刚度、稳定性均符合施工和运营状态的要求。结果表明:从设计、施工和使用要求来看，该结构满足要求。

［1］杨东溟，吴军强.不同类型单层网壳的静力稳定分析［J］.山西建筑，2013，39(29):41-42.