大跨度三心圆柱面网壳结构设计探析

吴莹卿

摘  要：在目前的建筑领域中，柱面网壳结构已经能够用于多种建筑物。这主要是由于此类建筑结构具有结构跨度大与净空高的特征，并且呈现独特造型。对于柱面网壳的建筑结构来讲，大跨度三心圆应当属于柱面网壳的典型结构，其本身具备较高的空间利用率。因此在目前实践中，关于柱面网壳结构有必要优先选择大跨度的三心圆结构，并且因地制宜的实现优化设计。

关键词：大跨度三心圆柱面;网壳结构;设计措施

中图分类号：TU758            文献标志码：A

从结构类型的角度讲，柱面网壳结构可以分为三心圆柱面以及圆柱面网壳的结构。作为特殊的网壳结构而言，大跨度的三心圆结构具有不可忽视的独特优势。具体在运用时，如果选择这种柱面网壳结构用于施工建设，那么可以灵活控制柱面网壳的落地角度，并且还能降低建筑基础整体施工成本。因此作为建筑设计人员，其针对不同种类的建筑物有必要予以灵活设计，确保柱面网壳结构能体现优越性。

1 大跨度三心圆柱面网壳结构的基本特征

大跨度的三心圆柱面特殊网壳结构本身具有净空较高、造型新颖、经济效益较好以及结构跨度较大的独特优势。因此在目前看来，上述的建筑网壳结构已经能够用于多种的建筑物设计。象针对储存煤炭材料专用的火电厂仓库来讲，运用上述的网壳建筑构造就具有良好的适用性。从矢量高度以及网壳跨度的不同划分来看，现存的上述网壳构造主要涵盖了30 m～40 m的矢量高度以及130 m以内的网壳跨度。

具体而言，柱面网壳结构包括了三心圆柱面以及普通圆柱面的不同网壳构造。经过对比可见，三心圆柱面网壳由于具有较小的铅垂线与落地切线夹角，因此水平结构推力也并不会很强。在此基础上，关于全过程的网壳建筑设计即可做到基础费用的全面减少。与此同时，设计人员还能做到结合现有的建筑设计条件，灵活选择建筑结构。

2 网壳结构的设计要点

三心圆柱面网壳作为目前的特殊建筑构造而言，与之有关的建筑设计也体现为复杂性。因此在实践中，设计人员针对这种建筑网壳构造应当优化设计，并且确保将多种设计要点融入其中。与此同时，建筑设计人员针对建筑造价也要给予更多关注，从而运用相应举措来减少资金成本与其他的设计成本。具体而言，关于三心圆柱面的建筑网壳结构需要关注如下的设计要素。

2.1 确定整体的结构设计思路

在多數情况下，对于圆弧构成的三心圆柱面可以将其分成3段。在这其中，中间圆弧段具有较小的弧度与较大的半径，而处于地平线下的圆心具有压缩整体结构空间的重要作用。此外，处于地平线上的两侧圆弧段具有较小的圆弧半径。因此如果要做到优化设计各个圆弧段，则关键在于确保鼓起的两侧圆弧段能达到最大的凸起程度。唯有如此，斗轮机才能具有充足的操作空间。

依照上述的结构设计基本思路，对于壳体应当适当抬高处理，确保达到平缓的圆弧结构过渡状态。三心圆柱面具有较小的跨度，因此针对整体的结构设计造价能够显著降低，并且优化了壳体投影占据的面积。相比于网壳本身的厚度而言，对于网格尺寸最好能够适当增大。并且，对于弦杆以及腹杆最好能够限定于60°的最佳夹角，如此才能保证均匀性的杆件受力，确保建筑物达到整体的美观度。

2.2 优化荷载组合设计

从荷载工况的角度讲，关键在于其中的活荷载与恒载设计优化。除此以外，关于组合荷载还需考虑整个建筑物承受的竖向以及水平地震作用力，据此选取相适应的结构系数。具体而言，针对风荷载在予以设计时应当依照现行的有关设计规程。经过风洞试验之后，才能给出科学的风荷载数值。通过分析试验结论，可以得知动力放大效应将会显著影响到大跨度的网壳结构。并且，静力风荷载也会给荷载数据带来某种影响。在此基础上，设计人员针对风荷载效应有必要予以适当放大。

2.3 构建模型并且分析结构受力

关于构建设计模型可以选择3D3S软件予以完成，全方位地优化了模型结构。对于受力模型而言，应当能够选择相匹配的多种杆件规格，并且据此确定目前的钢材消耗总量。三心圆柱面具有特殊的网壳受力原理，对此有必要借助相应的荷载模型来完成全方位的荷载受力分析。在此前提下，经过判断可知门式钢架呈现特殊的弯矩分布，其中根源应当在于直线段以及两侧的圆弧段影响。因此，对于上述的荷载受力分析尤其需要关注对于直线段与圆弧段的全面优化，如此才能达到改善受力状态的目的。

此外，竖向荷载也会影响跨中最大位置的网壳受力。在叠加内力的作用下，可知支座部位以及圆弧段部位将会承受最大的内力。为保证整个建筑物稳定性，那么需要优化受力作用。经过软件模拟，可以得出结构自振的基本规律，从而实现全方位的结构受力优化。

3 应注重的事项

三心圆柱面的特殊柱面网壳构造在目前已经可以用于多种多样的建筑物设计。具体在设计时，应当依照有关的现行设计规范，并且结合此类圆柱面网壳的典型特征来选择设计模式。经由全面的设计考虑，应当能给出适合该建筑物的网壳几何形状。从现状来看，建筑设计人员已经能够运用软件作为设计辅助，并且实现有限元分析的目标。象3D3S软件能够用于给出静力计算的结论，此外还能给出风荷载的精确数值。与此同时，设计人员还需格外关注荷载体型参数以及基本风压，确保依照风荷载系数予以精确计算。

经过上述的计算分析以后，应当可以给出经过简化以后的钢拱架与网壳结构模式。由此可见，门式钢架与柱面网壳具有近似的受力特征。三心圆柱面的特殊网壳结构由于同时包括了直线段与圆弧段，因此能够抵消拱脚推力，并且对于拱形受力也能达到最优的均衡性。从网壳整体受力的视角来看，其中的杆件内力很可能会受到支座变形的影响。作为典型的超静定结构而言，网壳结构的杆件支撑力以及支座沉降力之间具有联系。也就是说，如果增加了现有的水平支座总数，则会减小杆件内力。

通过上述的受力特性分析，可见设计人员有必要格外关注支座偏移现象的产生。具体在优化设计时，对于钻孔灌注桩最好选择较大侧向刚度的灌注桩或者选择倾斜灌注桩。通过运用失稳模态分析可见，由于受到非线性的特殊几何条件影响，因此将会减小临界的荷载系数。因此针对杆件应力在予以校核过程中，关键在于适当放大地震力效应，如此才能达到优化杆件受力的目标。

6 结语

经过分析可见，柱面网壳结构中的大跨度三心圆结构具有突显的建筑设计优势。从当前现状来看，关于现阶段的建筑设计已经可以选择柱面网壳结构，从而全面体现了大跨度三心圆的柱面网壳构造优势。未来在建筑设计的有关实践中，设计人员仍需归纳现存设计经验，在此前提下致力于优化建筑物的整体构造性能，并且达到保障建筑物安全的目标。

参考文献

[1]陈明明，孟文清，李万庆.基于APDL的大跨度圆柱面网壳结构优化设计[J].钢结构，2013，28（7）：39-42.

[2]顾国忠，陈晓亮，李洋，等.大跨度三心圆柱面网壳结构的高空悬挑散件拼装技术[J].建筑施工，2013，35（1）：46-47，50.

[3]罗尧治，王彬.双层圆柱面和球面网壳的风振系数实用公式[J].空间结构，2018（1）：32-39.