自平衡网壳结构的设计应用

陈晓明

摘要：依据参与设计的单层网壳结构为例，分析在主体混凝结构边界条件有限的前提下，实现空间网壳采光顶结构的理论方式，比如：自平衡拉杆的应用，固定球型铰支座及x方向固定、y方向滑移球型铰支座的应用。

关键词：网壳结构；自平衡；边界条件；球型支座；长细比

1.工程概况

该工程为单层空间网壳结构，长32.05m，宽22.7m，失高4.38m。网壳結构连接在两侧16根悬挑6.4m的混凝土结构柱上，结构柱通过框架梁周圈连接。主体网壳结构采用钢结构材料，总用钢量为34.5吨，面层为夹胶玻璃采光顶。由于混凝土结构柱为6.4m悬挑结构，悬挑结构对水平推力比较敏感，本文件结合主体混凝土结构的边界条件，来分析屋顶网壳结构的设计可行性方案。屋顶悬挑混凝土结构柱与混凝土结构梁关系及钢结构网壳结构，详见下图：

1.1网壳结构模型

网壳结构采用sap2000有限元软件经行分析计算，网壳结构均采用圆钢管（Q345B），网壳弧形主钢梁为pipe245x12，网壳弧形次钢梁为pipe127x4，自平衡拉杆为pipe152x6，稳定杆为pipe102x4。

前提条件：混凝土框架结构长边共12根结构柱（两边各6根）在Y轴为弱轴方向即支座2对应的结构柱位置，详见：网壳结构支座布置图。

本项目屋顶钢结构网壳结构的设计思路及理念：

网壳结构按照圆柱面网壳结构体系布置且需要满足采光顶玻璃分格的要求，由于网壳结构对混凝土结构有较大的侧向推力，在网壳结构32.05m长边方向布置了两道自平衡杆且支座设置为滑动支座，释放网壳结构对混凝土结构柱的水平推力，网壳结构中间区间通过两道平衡杆达到结构自身平衡的目的，从而适应土建混凝土结构柱Y轴方向刚度比较弱的问题；由于自平衡杆长度较长（自平衡杆为22.7m），自平衡杆的长细比通过两道斜向稳定杆控制。

1.2支座位置及形式

根据混凝土边界条件确定网壳结构的支座形式及布置方式，网壳结构在混凝土柱顶的支座布置如下：

网壳结构的支座采用两种支座形式，支座1：固定球型铰支座，支座2：x方向固定，y方向滑移球型铰支座，支座根据GB/T17955-2009进行设计，考虑采用此类支座的思路：网架结构与主体混凝土柱铰接及滑移连接，球面聚四氟乙烯板实现铰接目的，平面聚四氟乙烯板实现滑动释放的目的。通过球型支座实现理论受力与实际的完美结合，达到安全设计的目的。

1.3 结构分析

考虑荷载工况： 恒荷载； 风荷载； 活荷载；雪荷载；温度荷载；地震荷载，通过各个工况荷载的组合分析，并考虑网壳结构的屈曲分析，通过自平衡拉杆及球型滑移支座的设计，6.4m的悬挑混凝土结构柱采用650x650的截面即可满足钢结构网壳结构及主体混凝土结构均满足规范受力的要求，从而达到整体结构轻盈美观的整体效果。

2.结论

通过球型支座实现铰接设计，滑动支座实现对土建结构弱轴方向的作用力释放的问题，自平衡杆实现由于支座释放后网壳结构的自身平衡目的，稳定杆解决自衡杆的稳定性问题，混凝土结构柱通过周圈结构梁实现主体结构的自身刚度及受力平衡，通过以上方案的设计，完美实现本项目的设计目的。

参考文献：

[1]《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010

[2]《钢结构设计规范》GB50017—2003

[3]《空心管结构连接设计指南》J.A.Packer J.E.Henderson 著 J.J.Cao（曹俊杰）

[4]《桥梁球型支座》GB/T17955-2009