全网格筒体装配式钢结构体系静力性能与数值分析

吴德雨, 王翰斓, 杨大治, 王静峰,3, 孙 彤, 刘 用,3

(1.安徽苏亚建设安装有限公司，安徽 合肥 230009;2.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;3.先进钢结构技术与产业省级协同创新中心, 安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年来我国高度重视环境保护，加强了混凝土搅拌站在粉尘、噪声和废水方面的管控，大力提倡发展绿色环保混凝土搅拌站，建设绿色、低碳、高效、智能的混凝土搅拌站将是未来发展的必然趋势[1]。

目前，混凝土搅拌站外封装仅采用钢结构支架、檩条和压型钢板进行连接，形成简易的“整站封装”。由于混凝土搅拌站主楼尺寸较大，使得用于搭设外部骨架的钢结构支架截面较大，用钢量较大，费用较高；因为钢支架的梁柱间距布置较大，使得一榀框架内压型钢板的布设面积较大，造成压型钢板抗风压(风吸)性能较差，容易造成屋面(墙面)整体风揭，受力不够合理。此外，现有的封装构造无法满足吊轨、智能设备、底噪设备和回收设备的安装与放置，不能够合理运用建筑内部空间。

网架结构具有刚度大、整体性好、自重轻、抗震性能好、结构跨度大、适应性强、施工工期短等优点[2]，同时网架结构单元尺寸较小，单位面积的压型钢板能将外部荷载更加均匀地传递给网架，使得整体结构受力更加均匀合理；网架下部易铺设吊轨或吊装监控设备，能够满足相关的功能需求。因此，将平面网架结构进行空间组合，形成全网格筒体装配式钢结构作为混凝土搅拌站主楼外封装结构,是较为经济合理的新型结构体系。

国内对网架结构静动力作用下的受力性能和分析方法做了大量的研究，如董石麟等[3]提出正放正交类的拟夹层板法，用于简化分析网架结构受力；张毅刚等[4]、张文福等[5]提出了网架结构竖向地震内力的简化计算方法和确定周边简支网架结构的振动特性的方法；沈祖炎等[6]、陈扬骥等[7]应用有限元理论对大跨度网架结构的固有自振频率及抗震性能进行了研究。现有研究主要集中于平面网架结构的静动力计算方面，缺乏针对竖向网架的受力性能分析，亟待深入研究。

本文依托工程实例，建立全网格筒体装配式结构有限元分析模型，对该结构在静力作用下进行参数分析，并对不同参数下全网格筒体钢结构受力特性进行分析与总结，为类似工程设计与应用提供科学依据。

1 全网格筒体装配式钢结构体系

全网格筒体装配式结构由承受上部结构的混凝土柱与平面网架围成的网格筒体、连接主体结构的檩条骨架以及外封的压型钢板组成，如图1所示。

图1 全网格筒体装配式钢结构体系

结构一般采用柱下独立基础，混凝土柱与基础采用现浇方式进行连接，柱截面尺寸为700 mm×700 mm，柱高为1.2 m。混凝土短柱与网格筒体下部球节点采用平板压力支座进行焊接。设计时假定仅传递轴力，不传递弯矩。网格筒体由平面网架围成，网架采用正放四角锥单元，杆件采用圆管形截面，连接节点采用螺栓球节点，施工方便，连接性能可靠。外部檩条骨架与网格筒体的螺栓球节点通过支托进行焊接连接。外封压型钢板与檩条骨架通过自攻螺钉进行连接。

结构受力主要由风荷载和屋面活荷载起控制作用，外荷载首先作用于压型钢板上，压型钢板通过檩条和支托将力传递给网格筒体，由杆件和螺栓球将力传递给平板压力支座，平板压力支座将力传递给混凝土短柱，最终由混凝土柱将结构所受的外力传递给地基，其传力途径如图2所示。

图2 传力途径

2 有限元分析模型

2.1 结构设计

网格筒体设计长度为40～60 m，宽度≤30 m，高度为30～35 m，厚度1.2 m，网格尺寸≤2.5 m。选用长度50 m、宽度20 m、高度30 m、厚度1.2 m的网格筒体作为标准计算模型，网格单元采用正放四角锥结构，尺寸为2.5 m×2.5 m×1.2 m，标准计算模型的示意图如图3所示。

图3 标准计算模型

杆件材料采用Q235，屈服强度为235 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。杆件截面形式采用空心圆管，杆件截面尺寸见表1。

表1 杆件截面尺寸

2.2 荷载取值

网格筒体结构的外荷载主要包括结构自重、作用于结构上的恒载和活载，荷载取值见表2。根据静力等效原则，将网格筒体的外荷载集中于节点上。计算时基于节点铰接的假定，杆件只承受轴力，不考虑杆件弯矩和节点刚度的影响。

表2 荷载取值

由于风荷载是控制荷载，根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[9]第3.2.3条，共生成183种荷载组合，并生成荷载包络曲线，计算结果值均为荷载包络值。

2.3 边界条件

对于支承结构的弹性效应，考虑支承结构的弹性刚度，用来模拟下部混凝土柱对网格筒体的约束作用[8]。当下部支承结构为独立柱时，柱子的竖向刚度很大，可以视为固定，其他两个方向的弹性刚度即为柱的抗侧刚度，令Kz1为柱子的竖向刚度，Kx1、Ky1为柱子的两个水平方向刚度，那么有：

(1)

(2)

式中：E为独立柱的弹性模量；Ix、Iy为柱子两个水平方向上的惯性矩；l为柱子的高度。

通过计算，取标准计算模型X、Y方向的侧向刚度为70 kN/m，Z方向刚度无穷大。

2.4 特征节点与杆件选取

分析结构在静力下的内力和位移，选取具有代表性的节点和杆件。在对标准模型进行初步分析后，网格筒体的最大位移一般出现在网架屋盖的中部；杆件轴力最大值一般出现在各网架屋盖的中部弦杆及角落处的弦杆。

计算模型与提取位移的节点和内力的杆件如图4所示，其中圆点和加粗线分别标注节点和杆件，标注面分别为网格筒体结构的三视图轴侧面。选取节点均为下弦杆节点，编号1 ～ 5由外向内逐渐增大，分别为节点组1(代表X向最大位移)、节点组2(代表Y向最大位移)和节点组3(代表Z向最大位移)；杆件选取3列下弦杆和1列上弦杆，编号1～5由内向外逐渐增大，分别为杆件组1～4。

3 计算结果分析

3.1 长宽比的影响

在其他参数不变的情况下，考虑长宽比L/B在2～3范围内变化对结构静力的影响规律，结构的计算模型见表3。长宽比对结构各向位移的影响如图5所示，对结构杆件轴力的影响如图6所示。

表3 长宽比影响下结构计算模型

图5 长宽比对结构各向位移的影响

图6 长宽比对结构杆件轴力的影响

由图5可知，长宽比的变化对结构在X、Z向的位移影响较小，对结构在Y向的位移影响较大。当结构的长宽比为2时，Y向最大位移为139.70 mm；当结构的长宽比为3时，Y向最大位移为166.50 mm，比前者增长了19.18%。说明在相同条件下，长宽比越大，结构位移越大。根据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7-2010)[10]，通过计算，结构侧向与竖向位移均满足规范要求。

由图6可知，长宽比对结构侧面弦杆和顶部弦杆的轴力影响较小，对结构正面弦杆和四周底部杆件影响较大。对比前三组杆件，可以发现结构受力最大的杆件均出现在网格筒体四周支点处。

3.2 高宽比的影响

在其他参数不变的情况下，考虑高宽比H/B在1～2范围内变化对结构静力的影响规律，结构的计算模型见表4。高宽比对结构各向位移的影响如图7所示，对杆件轴力的影响如图8所示。

表4 高宽比影响下结构计算模型

图7 高宽比对结构各向位移的影响

图8 高宽比对结构杆件轴力的影响

由图7可知，高宽比对结构各向位移影响均较大。当结构的高宽比为1时，结构在各向的位移最小；当结构的高宽比为2时，结构在各向的位移最大。随着高宽比的增大，结构在X、Y、Z向的最大位移分别增大了157.10%、158.96%和47.53%。说明在相同条件下，高宽比越大，结构位移越大。通过计算结构在不同高宽比下的位移限值，发现当高宽比为2时，结构在Y向和Z向的位移已不满足规范限值要求，进一步说明了高宽比对结构的影响比长宽比的影响更大。

由图8可知，结构所有面上的特征杆件轴力均随着高宽比的增大而增大，4组典型杆件最大轴力分别增大了159.69%、112.94%、72.95%、166.15%。说明在相同条件下，高宽比越大，结构各典型杆件的轴力越大。

3.3 筒体壁厚的影响

在其他参数不变的情况下，考虑筒体壁厚t在0.7～1.6 m范围内变化对结构静力的影响规律，结构的计算模型见表5。筒体壁厚对结构各向位移的影响如图9所示，对结构杆件轴力的影响如图10所示。

表5 筒体壁厚影响下结构计算模型

图9 筒体壁厚对结构各向位移的影响

图10 筒体壁厚对结构杆件轴力的影响

由图9可知，随着筒体壁厚的增大，结构各向的位移逐渐减小，当结构的筒体壁厚为0.7 m时，结构在各向的位移最大；当壁厚比为1.6 m时，结构在各向的位移最小。随着筒体壁厚的增大，结构在X、Y、Z向的最大位移分别减小了57.02%、42.20%和24.37%，但当网格筒体壁厚为1 m时， 结构在Z向的最大位移仅为18.26 mm，远小于其他情况下结构的Z向位移。说明在相同条件下，筒体壁厚越大，结构位移越小，且当筒体壁厚为1 m时，网格筒体顶部的竖向刚度很大。

由图10可知，结构各面上弦杆件的最大轴力随着筒体壁厚的增加而减小，底部杆件的最大轴力随筒体壁厚的变化影响不大。但当筒体壁厚为1 m时，各组杆件最大轴力的变化并不符合上述规律，具体表现为结构顶部弦杆和底部杆件的最大轴力比其他条件下杆件轴力小很多，可以进一步说明当筒体壁厚为1 m时，网格筒体的竖向刚度较大。

3.4 网格尺寸的影响

在其他参数不变的情况下，考虑网格尺寸在2～3 m范围内变化对结构静力的影响规律，结构的计算模型见表6。 网格尺寸对结构各向位移的影响如图11所示，对结构杆件轴力的影响如图12所示。

表6 网格尺寸影响下结构计算模型

图11 网格尺寸对结构各向位移的影响

图12 网格尺寸对结构杆件轴力的影响

由图11可知，结构在Y、Z向的位移随着网格尺寸的增大而分别减小5.07%和23.15%，说明随着网格尺寸的增大，结构在Y、Z向的刚度增加。结构在X、Y、Z向的位移最大值分别为63.98 mm、157.61 mm、83.27 mm，通过计算，结构在各向的位移均满足规范要求。

由图12可知，4组典型杆件最大轴力随着网格尺寸的增大而分别增大了33.27%、41.03%、39.85%、5.03%。以上结果说明网格尺寸对结构各面弦杆轴力的影响较大，而对四周底部杆件影响较小。

3.5 边界条件的影响

在设计时通常将网格筒体与下部混凝土柱分开计算而忽略下部混凝土柱与网格筒体结构的协同作用，为了研究边界条件的合理性，在其他参数不变的情况下，考虑边界条件对结构静力的影响规律，结构的计算模型见表7。 边界条件对结构各向位移的影响如图13所示，对结构杆件轴力的影响如图14所示。

图14 边界条件对结构杆件轴力的影响

表7 边界条件影响下结构计算模型

由图13可知，弹性连接边界条件下结构在X、Y、Z的各向位移分别为11.27 mm、49.09 mm、26.96 mm。当约束条件为铰接时，结构在X、Y、Z向的节点位移分别比弹性连接小5.76%、6.39%和0.29%，且位移值均满足规范要求。当约束条件为整体连接时，结构在X、Z向的节点位移分别比弹性连接大4.25%和4.19%；在Y向节点位移比弹性连接小1.99%，且位移值同样满足限值要求。说明在静力荷载的作用下，上述三种边界条件对结构的各向位移影响不大。

图13 边界条件对结构各向位移的影响

由图14可知，弹性连接边界条件下杆件组1 ～ 4中最大杆件轴力分别为-84.84 kN、-137.81 kN、113.95 kN和-651.81 kN。当约束条件为铰接时，结构各杆件组中杆件最大轴力分别比弹性连接小8.40%、14.82%、0和6.70%，通过计算各杆件应力均小于235 MPa，满足《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)[11]中对于材料强度的设计值的要求。当约束条件为整体连接时，杆件组1、2、4中杆件最大轴力分别比弹性连接小15.25%、14.23%、5.58%，杆件组3中杆件最大轴力比弹性连接大5.58%，通过计算杆件组3的最大应力仅为89 MPa，满足规范要求。由于设计时采用弹性连接作为网格筒体的约束条件，通过对比后发现按照弹性连接计算得到的杆件内力偏大，设计时是偏于安全的。

4 结 论

(1)高宽比对全网格筒体装配式钢结构受力和位移的影响远高于其他参数对结构的影响，在设计时应控制好结构的高宽比。

(2)长宽比、高宽比、筒体壁厚和网格尺寸对结构杆件的轴力影响均很大，但不同参数对结构不同部位的杆件影响不同，在设计时应具体分析。

(3)通过对比3种不同筒体壁厚下结构的受力特性，发现当网格筒体厚度为1 m时，结构的位移和杆件轴力均较小，结构的整体刚度较大，受力性能较好。

(4)不同边界条件对全网格筒体结构的位移和受力影响不大，设计时采用弹性连接作为约束条件计算得到的杆件内力偏大，采用该种简化边界条件的方法单独设计全网格筒体结构是安全的。