大跨空间结构选型及抗震性能分析

金奇峰，刘庆江

(北京维拓时代建筑设计有限公司,北京 100020)

随着时代的发展，空间结构在大型体育馆、会展中心、候机厅、大型宴会厅等大跨度公共建筑中得到广泛应用，在荷载作用下，其具有三维受力、空间协同工作的特性，可以充分利用材料特性，适应不同建筑功能和造型的需求。项目建筑功能为宴会厅，该文选用两种空间结构方案做对比分析，以更好地了解空间网架和立体桁架结构的受力特点和抗震性能。

1 结构方案

1.1 结构主要设计参数

某项目建筑功能为宴会厅，长39 m，宽27 m，结构高度为28 m；项目位于8度(0.2g)地区，场地类别为Ⅲ类，地震分组为二组，设防类别为丙类，安全等级为二级，基本风压为w0=0.45 kN/m2，屋面体形系数为-0.6，地面粗糙类别为B类，设计基准期为50年。

1.2 结构布置

项目柱距如图1、图2所示，柱截面为800 mm×800 mm，在结构高度为13 m处有框梁拉结，梁截面为300 mm×800 mm。梁柱混凝土等级为C30，钢筋采用HRB400；屋盖采用圆钢管截面，材料为Q355。屋盖采用轻型屋面，根据结构跨度及建筑功能要求，屋盖形式拟采用空间网架结构与立体管桁架结构，现对两种结构形式的合理性进行对比研究，以确定更加合理的结构形式。

1.3 结构选型

结构方案一采用空间网架结构，网架结构是一个空间铰接的杆系结构，在外力作用下不允许几何可变，故首先必须保证结构为几何不变结构。屋盖结构为周边支承形式，短跨为27 m，短跨与长跨的比值约为0.7,初步选为正交正放四角锥网架。网架跨度为27 m，网格尺寸约为跨度的1/6至1/12；同时根据总结的经验[1]，网格数取值约为(6～8)+0.07L2,其中L2为网架短向跨度，故该项目网格数取值为9,即网格上弦与下弦长度为3 m；网架高度取值为2.1 m。

结构方案二为立体管桁架结构，桁架为直线型桁架，采用小立柱找坡。立体桁架的高度[2]可取跨度的1/12至1/16，结合经验，网架高度取为2.1 m，网格上弦与下弦长度为3 m。

2 结构静力分析

2.1 静力分析模型

对结构采用3D3S软件进行分析，方案一与方案二屋盖形式[3]均采用圆管截面，截面不小于60 mm×3.5 mm，最终截面大小利用3D3S截面优选功能，根据应力比确定，方案一与方案二定义应力比不超0.85；方案一与方案二屋面荷载相同，屋面恒载(含自重)为0.5 kN/m2，屋面活载0.5 kN/m2，活载考虑半跨不利布置，吊挂荷载0.15 kN/m2，并考虑温度荷载、风荷载作用、水平地震作用与竖向地震作用[4]。结构进场温度为18 ℃，当地历史最高温度36 ℃，历史最低温度-13 ℃，由此求得温度增量1为18 ℃，温度增量2为-31 ℃。模型计算简图如图3与图4所示。

2.2 静力分析结果

2.2.1 模态分析

方案一网架结构的第一振型为Y向平动，如图5所示，自振周期为2.12 s；方案二立体桁架结构的第一振型同样为Y向平动，如图6所示，自振周期为2.45 s；说明方案一与方案二Y向刚度均较弱，方案一结构自重为520 t，方案二结构自重为517 t，根据T=(m/k)0.5,得k=m/T2，通过计算可得方案一结构刚度约为方案二结构刚度的1.34倍，说明方案一抗侧刚度优于方案二结构抗侧刚度[5]。

2.2.2 应力比

通过结构静力分析可知，方案一与方案二强度与稳定应力比均能满足规范要求；方案一与方案二所得结构强度应力比如图7及图8所示。方案一上弦杆截面(外径、壁厚单位均为mm)为75.5×3.75，结构跨中部位上弦受力较大采用88.5×4；腹杆为76×4；下弦杆截面为89×4。方案二上弦杆多为75.5×3.75；个别受力较大的上弦杆采用108×4；腹杆为76×4，系杆为219×4与140×5两种截面；下弦杆多为325×16。

由分析结果可知，结构设计满足规范应力比的要求，方案二采用的上弦与下弦杆截面多数大于方案一上下弦所用截面。

2.2.3 结构竖向位移

方案一与方案二结构竖向位移较大的部位均位于跨中部位，如图9与10所示，最大位移均在57 mm与68 mm之间。方案一网架结构赘余度多于方案二结构赘余度，方案一结构变形协调作用优于方案二，使得方案一屋盖结构受力更加均匀，结构受力更加合理。

2.2.4 结构用钢量统计

对方案一与方案二屋面结构用钢量进行统计，方案一用钢量为24.9 t，方案二为22.5 t。方案一用钢量要多于方案二的用钢量，相对于方案二，方案一约多用10%的钢材。

3 静力弹塑性分析

3.1 单调加载分析模型

为研究结构在竖向荷载作用下的响应[6]，利用midas Gen对方案一与方案二进行静力弹塑性分析[7]，对梁、柱及桁架单元进行塑性铰的定义，考虑几何非线性的影响，采用位移控制的单调静力加载模式，位移控制点均为屋盖下弦正中部节点，将2.0恒载作为初始外加荷载，沿Z轴负方向由0逐渐加至-300 mm，由此得到方案一与方案二结构的荷载-位移曲线，如图11及图12所示。

3.2 弹塑性分析结果

通过结构荷载-位移曲线可知，在荷载比较小时，结构处于弹性阶段。随着荷载的继续增加，网架结构与立体桁架结构的竖向刚度逐渐降低，结构屈服后，但承载力还在逐渐上升，达到最大承载力后，结构逐渐失去承载能力。

3.2.1 承载力

通过多荷载-位移观察，可以确定结构屈服荷载值Fy与峰值荷载Fp，同时得到这些荷载相对应的位移值Δy与Δp。方案一与方案二结构各阶段的荷载及对应位移值如表1所示。对比结果可知，方案一结构的承载力高于方案二结构的承载力。

表1 结构各阶段的荷载及对应位移值

3.2.2 结构延性

结构延性也可称为位移延性，是整体塑性变形能力的体现。延性好的结构，能够充分利用材料的性能，韧性较好。结构延性的好坏可以通过延性系数μ来表示，计算公式如下

μ=Δp/Δy

方案一与方案二结构延性系数如表2所示。对比可知，方案一延性要优于方案二，在竖向地震作用下，方案一的塑性变形能力较强，抗震性能比较好。

表2 延性系数

4 结 论

分析表明，该项目网架结构和立体桁架结构设计均能满足规范要求，在结构梁、柱布置相同的情况下，网架结构的抗侧刚度要优于立体桁架，网架结构用钢量相对要高出10%左右，立体桁架上弦与下弦截面要大一些。

网架结构结构变形协调作用优于桁架结构，网架结构结构受力更加均匀，受力更加合理。

网架结构的承载力高于桁架结构的承载力。同时网架延性要优于立体桁架，在高烈度地区或需要考虑竖向地震作用时，建议选用网架结构，塑性变形能力和抗震性能要优于立体桁架结构。