空间网架结构设计参数研究

林 治 民

(长沙经济技术开发区项目开发建设管理有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引言

空间网架结构使用范围较广，一般而言，其下部为混凝土框架结构或框架—剪力墙结构。其下部支承结构多为混凝土框架结构或框架—剪力墙结构。将不同材料特性结构分开设计会导致设计参数存在较大的差异，现行常用设计软件Pkpm建模时常采用网架简化整体式方法建模，而网架结构简化模型不同，平面内和平面外的刚度贡献亦不同，水平荷载及竖向荷载作用下不同网架简化模型对下部支承结构的设计参数影响较大。因此，对于上部为钢网架，下部为混凝土框架的结构采用整体式方法设计时，探究网架简化模型对下部混凝土支承结构抗震性能参数的影响是保证工程安全亟需解决的问题。

本文考虑上部钢网架与下部混凝土结构之间的相互作用，利用Pkpm和Midas两种不同的计算软件分别建立模型，探讨网架结构不同建模方式对设计参数的影响，并对设计参数进行比较分析。

1 工程简介

某职业技术学院位于株洲，其风雨操场为一典型大跨轻钢网架结构，结构长59.1 m，宽35 m，总高18.8 m，结构总体特征为大跨，大悬挑(侧向最大达8.16 m)，下部看台为混凝土框架结构，上部网架为钢结构，效果图详见图1。

2 工程分析

2.1 Pkpm与Midas建模分析

Pkpm建模过程中，由于不能真实建立网架与下部主体结构的协同工作特性，工程实际常用简化计算方法，上部网架单独设计，把网架支座内力输入到下部混凝土框架结构柱顶，同时设置刚性杆模拟其平面内和平面外的刚性，整体模型详见图2。

Midas作为一种结构有限元分析软件，可建立空间网架结构整体模型，计算其在水平荷载及竖向荷载作用下的设计参数，且能真实计算平面内和平面外刚度对下部混凝土框架结构设计参数的影响。同时考虑下部混凝土框架结构对上部钢网架结构的影响，更贴近网架结构实际受力情况，计算结果也更为准确，整体模型详见图3。

2.2 Pkpm与Midas计算振型(模态)参数分析

通过分析Pkpm和Midas建立模型的前两个振型(模态)，可知Pkpm第一振型(变形沿长度方向,如图4所示)显示网架结构受力变形最大的部位为看台顶平面位置的两端，而Midas第一模态(变形沿长度方向，如图5所示)显示网架结构受力变形最大的部位为看台顶平面位置的斜撑端，另一侧变形特性明显偏小；Pkpm第二振型(变形沿宽度方向，如图6所示)显示网架结构受力变形最大的部位为看台悬挑端，上部柱顶位置变形量较小，而Midas第二模态(变形沿宽度方向，如图7所示)显示网架结构受力变形最大的部位为网架及下部混凝土框架悬挑端与网架连接部位。由此可见，Pkpm和Midas反映的网架结构变形特征存在较大差异，而Midas的变形特征更贴近网架结构实际变形特征。

2.3 Pkpm与Midas计算配筋(悬挑端)参数分析

通过分析Pkpm和Midas计算模型端部悬挑梁配筋可知，梁截面、水平荷载及竖向荷载均相同的条件下，Pkpm计算配筋为3 000 mm2,而Midas计算配筋为5 491 mm2，两者相差1.8倍，考虑实际配筋主要由水平地震力控制，发生设防地震，如按Pkpm计算结果设计配筋，则此处梁端节点将有率先破坏的安全隐患。

2.4 Pkpm与Midas计算位移参数分析

通过分析Pkpm和Midas相同工况下楼层位移比可知，Pkpm最大位移比(如表1所示)位于第1层，数值为1.58；Midas最大位移比(如表2所示)也位于第1层，数值为1.393，两者相差1.13倍，且Pkpm位移比随层数存在数值突变情况，与网架结构变形特征不符，而Midas位移比随层数变化更为均匀合理，更符合工程实际变形特征。

表1 Pkpm位移比

工况1 X方向风荷载作用下的楼层最大位移FloorTowerJmaxJmaxDMax-(x)Max-DxAve-(x)Ave-DxRatio-(x)Ratio-DxhMax-Dx/hDxR/DxRatio-Ax511 1271 1320.930.070.810.071.141.002 8001/9 99966.00%0.83411 0841 0890.860.140.740.141.161.013 6001/9 9996.10%1.38315825820.720.150.580.131.241.183 6001/9 99927.00%1.07214874870.570.050.460.041.251.151 0001/9 99933.70%1.171199990.520.520.330.331.581.586 0001/9 99999.90%1.26注:X方向最大值层间位移角:1/9 999

表2 Midas位移比

2.5 Pkpm与Midas楼层受剪承载力参数分析

表3 Pkpm楼层受剪承载力

通过分析Pkpm和Midas相同工况下楼层受剪承载力可知，Pkpm计算结果(如表3所示)：薄弱层位于第1层，根据《建筑抗震设计规范》3.4.4条，将第1层的楼层地震剪力放大1.15倍；Midas计算结果(如表4所示)：薄弱层位于第3层，即与网架相邻框架结构柱顶位置。通过分析下部混凝土结构布置可知，Pkpm计算结果与实际情况背离，存在较大计算误差，而Midas计算结果与实际情况基本相符。

表4 Midas楼层受剪承载力

3 结语

1)空间网架结构的整体振动要考虑上部钢结构网架和下部混凝土框架结构的协同性，建立的模型要真实反映两者的变形特征，如计算模型不能模拟网架平面内、外的刚度特征，则计算结果会出现较大的差异。

2)空间网架结构如分开计算，则下部混凝土结构和上部钢网结构变形较大的部位会出现偏差，特别是悬挑部位、上下部结构相连部位，设计参数会出现较大的误差，并直接影响结构安全。

3)上部钢结构分开计算，下部混凝土柱顶输入钢结构节点内力，并采用刚性杆连接模拟钢网架平面内刚度，整体计算结果存在较大误差。因为，上部钢结构网架与下部混凝土结构柱会产生协同变形，而刚性杆平面内刚度无穷大，平面外刚度为零，导致计算结果中楼层薄弱层、位移比等计算参数失真，计算结果无法与工程实际相符，特别是较大水平荷载作用的工况，结构存在较大的安全隐患。

4)空间网架结构如分开计算，则下部混凝土和上部钢网架结构不能真实反映两者的支座约束情况，导致计算结果与工程实际出现较大误差，实际工程设计中应重点予以考虑。