庐山杏林植物园温室空间铝单层网壳结构设计

邓磊

（上海通正铝结构建设科技有限公司，上海201107）

1 工程概况

庐山植物园山南分园（科技小镇）项目位于庐山市温泉镇赵家垅村附近区域，场地由绕庐山公路及九江绕城高速分割，共分为3 个地块：绕庐山公路北侧地块（A 地块）；绕庐山公路南侧、九江绕城高速北侧地块（B 地块）；九江绕城高速南侧地块（C 地块）。 根据场地条件布局植物温室展览、湿地体验观光、入口综合服务、科研试验办公、果蔬宿营基地、植物专类园区、育种育苗生产的七大功能分区。 植物园温室展览区位于A地块中心处，设置停车场、草坪剧场、沙漠馆、热带雨林馆、齐欢乐聚馆、森活剧场等功能。 本文主要对植物园温室的结构进行讨论。

本项目结构体系为铝合金单层网壳， 铝合金网壳具有节能环保、自重轻、抗震性能好、终身免维护及外观美观等特点。该项目为植物园温室，对结构的耐腐蚀性要求较高，同时该项目造型复杂，结合建筑造型和使用功能的要求，最终选择铝单层网壳为本项目的结构体系[1]。

2 结构选型与结构布置

本项目温室区域包括：温室A 区、温室B 区、温室C 区、连接体L1、连接体L2，共5 个部分。

温室区域的结构单体情况如下：

1）温室A 区、温室B 区和连接体L1，3 个区域连为一个结构单体，屋面采用空间铝合金单层网壳结构形式，局部位置采用钢构件；

2）温室C 区为一个结构单体，屋面采用空间铝合金单层网壳结构形式，局部位置采用钢构件；

3）连接体L2 为一个结构单体，主体结构采用钢框架结构形式，落地钢柱柱脚铰接，屋面两侧与温室A 区和温室C 区的屋面结构构件完全脱开，形成独立的结构单体。

本项目温室屋盖建筑形态近似落地拱形网壳， 共分为3个拱壳：

1）温室A 区：网壳两个方向跨度分别为60 m 和64.5 m，矢高约为22 m，矢跨比约为0.367；

2）温室B 区：网壳两个方向跨度分别为40 m 和53.3 m，矢高约为14.1 m，矢跨比约为0.353；

3）温室C 区：网壳两个方向跨度分别为42.1 m 和45.5 m，矢高约为9.5 m，矢跨比约0.226。

区域A 和B 之间的连接区L1：网壳两个方向跨度分别为11.5 m 和52 m，矢高约为7.6 m，矢跨比约为0.66。

3 结构设计参数

3.1 主要构件规格

A 馆的铝杆件主要规格为H450 mm×180 mm×8 mm×15 mm，B 馆和C 馆的铝杆件主要规格为H400 mm×180 mm×8 mm×14 mm，A 馆主钢梁尺寸为□800 mm×250 mm×25 mm×25 mm，B 馆和C 馆主钢梁尺寸为□700 mm×250 mm×20 mm×25 mm。

3.2 结构材料信息

本项目选用的铝合金材料为6061-T6，选用的钢材为Q355B（主要分布在曲面衔接位置及部分受力较大的位置）， 铝合金杆件板式连接节点处采用铝合金专用不锈钢环槽铆钉M10。

3.3 结构设计参数

本工程结构设计基准期和设计使用年限均为50 a， 建筑结构安全等级为二级， 本项目考虑的主要荷载通过面荷载施加于网壳之上，所取荷载具体如下：

1）结构自重：由程序自动添加并计算，并考虑1.15 的放大系数；

2）恒荷载：玻璃幕墙荷载为0.5 kN/m2，并考虑吊挂荷载0.25 kN/m2；

3）活荷载：不上人屋面活荷载取为0.5 kN/m2。计算中考虑半跨活载的不利布置影响。

4）雪荷载：根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]，本项目50 a 一遇的基本雪压为0.40 kN/m2，100 a 一遇的基本雪压为0.45 kN/m2。考虑到该空间屋盖为大跨度空间结构，对雪荷载取值较敏感，本项目按100 a 一遇基本雪压0.45 kN/m2取值设计，雪荷载准永久值系数分区Ⅲ区，局部位置根据屋面造型考虑雪荷载堆积效应。

5）风荷载：根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，本项目50 a 一遇的基本风压为0.35 kN/m2，100 a 一遇的基本风压为0.40 kN/m2。考虑到该空间屋盖为大跨度空间结构，对风荷载取值较敏感，按100 a 一遇基本风压0.40 kN/m2取值。

6）温度作用：50 a 重现期的月平均最高气温29 ℃，月平均最低气温-9 ℃。 结构合拢温度控制在5～15 ℃。 最终考虑升温24 ℃，降温-24 ℃。

7）地震作用：根据GB 50023—2008《建筑工程抗震设防分类标准》[3]建筑抗震设防类别为丙类（标准设防类），根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[4]，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度为0.05g，地震分组为第一组，按Ⅲ类场地，特征周期为0.45 s，多遇地震下结构阻尼比为0.03。

4 计算分析模型

分析模型：设计中利用3D3S（2021 版）软件建立上部空间结构计算模型。 A、B 馆和C 馆分别为独立的结构单体， 在模型中分开考虑，如图1 所示。

图1 A、B馆及C馆3D3S空间结构计算模型及材料分布图

荷载传导：通过封闭面将荷载均布施加于杆件之上。

杆件类型：一般梁单元（欧拉梁）。

边界条件：支座均为三向固定铰接支座。

5 静力分析结果

5.1 变形分析

在恒活荷载的标准组合下，选取几个有代表性的位置，如图2 所示。

图2 A、B馆和C馆结构测点位置示意图

经软件分析，A 馆网壳测点A 在恒载+ 活载作用下的最大变形为-72.5 mm， 在恒载+ 雪荷载作用下的最大变形为-82 mm；B 馆网壳测点B 在恒载+ 活载作用下的最大变形为-23 mm， 在恒载+雪荷载作用下的最大变形为-26 mm；C 馆网壳测点C 在恒载+ 活载作用下的最大变形为-32 mm，在恒载+雪荷载作用下的最大变形为-35 mm （负号表示位移向下，正号表示位移向上）。

其中，A 馆的跨度为60 m，B 馆的跨度为40 m，C 馆的跨度为42.1 m，结构跨中的最大挠跨比分别为：A 馆1/732、B 馆1/1540、C 馆1/1 200，均满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》[5]中单层网壳结构变形的限值1/400 的要求。

5.2 强度分析

经软件计算，本项目A、B 馆及C 馆所有杆件均满足设计强度要求，且大部分杆件应力比控制在0.8 以内。

5.3 整体稳定分析

采用3D3S 软件对结构进行整体稳定承载力计算，先通过线性屈曲分析结果得到A、B 馆和C 馆的屈曲模态，以便分析结构的不利位置，再根据一阶模态结果添加初始缺陷（L/300，L为网壳的跨度），并考虑几何非线性，以得到考虑单非情况下的稳定承载力结果。

根据软件分析，A、B 馆在恒载+ 活载作用下的一阶模态稳定系数为18.5，C 馆在恒载+ 活载作用下的一阶模态稳定系数为30.2，A、B 馆和C 馆的一阶模态均为局部失稳，且发生在变形最大位置处。

根据线性屈曲分析结果，对A、B 馆和C 馆引入几何缺陷（L/300），再分别对A、B 馆和C 馆进行几何非线性分析，可得如图3 所示结果。

图3 A、B馆及C馆带缺陷的荷载-位移曲线

由上述结果可知，A、B 馆的极限荷载因子为26.0，C 馆的极限荷载因子为34.5，均远大于规范T/CECS 634—2019《铝合金空间网格结构技术规程》[6]要求3.0 的限值，结构整体稳定性好，极限承载能力较强。

6 节点设计

本工程节点设计采用ABAQUS 进行建模计算分析，由于本项目个别节点较复杂，且在空间上位于多杆交汇处，为了使计算结果更符合节点的真实受力状态， 采用Rhino 建立节点实体模型，然后将其输入ABAQUS/CAE 有限元程序中，进行有限元分析。

以A 馆和B 馆交接位置处的支座节点为例，从3D3S 结构计算软件中提取该节点最不利工况下的内力进行节点分析。本次节点模型采用C3D10 单元类型划分网格，此单元类型比线性单元能得到更精确的模拟结果， 由于网格尺寸对结果准确性和效率也有一定影响，所以，模型的网格尺寸为30 mm。

节点应力分布如图4 所示， 应力最大值均在屈服应力（355 MPa） 以内， 此节点在最不利荷载下仍基本处于弹性状态，满足结构受力要求。

图4 节点三维模型及节点应力分布图

7 结论

庐山杏林温室项目作为江西省的重点项目，结构较复杂，建筑造型优美。

1）本项目采用了铝结构单层网壳结构体系，在曲面的衔接位置引入钢箱梁作为铝单层网壳的连接点， 既满足结构受力要求，也满足节点构造要求，同时能最大限度地满足建筑造型要求。

2）本项目采用3D3S 软件对温室结构进行了各种工况下的静力分析，得到了结构的变形、内力等结果，并根据其结果对部分构件截面进行了调整，以满足规范要求。

3）采用了3D3S 软件对温室结构进行了整体稳定分析，得到了结构的特征值屈曲系数和非线性稳定屈曲系数， 经计算分析可知，该结构整体稳定性较好，极限承载能力较强。

4）由于该项目部分节点构造较复杂，因此，采用RHINO进行三维建模， 并用ABAQUS 软件对节点进行有限元分析，以保证节点构造的合理性和安全性。