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大跨度封闭式柱面网架结构设计

文章出处:三维钢构 人气:发表时间:2020-12-23
  近年来,随着人们对空间需求的增大和建筑技术的迅速发展,各式各样的大跨度建筑物不断涌现。目前大跨度空间结构应用较多的是空间网格结构,网壳结构属于一种曲面型网格结构,有杆系结构构造简单和薄壳结构受力合理的特点,其外形优美、受力性能好、经济性好,施工方便,是一种具有广阔发展前景的大跨度空间结构形式。柱面网壳结构作为网壳结构形式之一,在封闭式散货料场领域应用最为广泛。施工技术是大跨度网架结构设计成果实现的基础,大跨度网格结构的常用施工方法有高空散装法、分(条)块安装法、高空滑移法、整体提升法。
  
  2  大跨度封闭式柱面网架结构设计
  
  2.1  荷载
  
  2.1.1  恒载
  
  恒载主要包括网架结构自重、檩条、屋面板等上覆材料的自重。
  
  2.1.2  活载
  
  活载主要包括:屋面活荷载、雪荷载、风荷载,温度作用、地震作用。屋面活荷载、雪荷载根据荷载规范中的规定直接取值。大跨度结构对风荷载效应最为敏感,而我国现行荷载规范中缺乏这类结构体型的设计数据,在实际工程中应由风洞试验确定。温度作用应自安装时的温度算起,计算最大正温差和负温差。地震作用包括水平和竖向地震作用两大类,在设防烈度为7度的地区,网壳结构可不进行竖向地震作用计算,但必须进行水平抗震计算。
  大跨度网架结构设计
  2.2  结构几何参数
  
  大跨度柱面网架结构几何形态设计的内容主要包括矢跨比、网格厚度和网格尺寸。实际结构的设计,应从经济性和受力性能方面综合考虑,对网格的厚度和尺寸进行优化设计。
  
  2.3  支承条件和节点设计
  
  网壳结构的支撑方式通常有三种:上弦、下弦和上下弦共同支撑。上弦支撑与下弦支撑相比,内力峰值减少34%,杆件内力分布均匀,因此上弦支承方式在大跨度柱面网架结构中应用较多。支座节点的设计需尽量接近实际的边界条件,网壳结构中一般采用固定铰支座,其受力合理、计算模型与实际受力状况基本一致、用钢量少。
  
  大跨度网架结构通常采用螺栓球节点,其特点为杆件内只受轴向力,不产生弯矩,且施工速度快,高空作业时,施工质量更容易保障。
  
  3  施工方法
  
  施工方法直接影响工程的质量、进度与造价。大跨度网格结构的常用施工方法有高空散装法、分(条)块安装法、高空滑移法、整体提升法。高空散装法的高空作业量大,需要过多的材料搭建拼装平台;分(条)块安装法中分条分块后的网架结构单元,自身应该具有足够的刚度,否则应采用临时的加固措施;高空滑移法可以减少大量的高空作业,保证结构施工质量和安全性;整体提升法的优点是可以保证节点的质量和拼装的准确性,但对于起重设备的要求较高。
  
  实际工程中,应从工期、场地条件、机械设备、施工技术水平等方面综合考虑做出经济合理的选择。
  
  4  应用实例
  
  4.1  工程概况
  
  本工程为某公司提质改造工程散货封闭料场,轴线尺寸为470m(长)×110m(宽),矢高44.124m,网格为4.0m(纵向)×4.55(跨度),厚度3.55m,三心圆柱面钢网壳结构,采用正放四角锥形式,柱脚采用球铰支座,柱顶标高2.0m。
  
  4.2  设计参数
  
  恒载:0.3kN/m2(包括屋面壓型钢板、马道、灯具等吊挂,檩条)。活载:0.5kN/m2。风压:0.45kN/m2(根据以往工程的风洞试验,并咨询中国建科院风洞,风洞试验的结果与荷载规范一致,大部分体型系数比荷载规范小,可以分别按照荷载规范表8.3.1第4、36项选取)。雪压:0.7kN/m2(考虑半跨荷载、不均匀分布)(体型系数选自荷载规范表7.2.1第3、10项)。温度荷载:±30℃。结构安全等级为二级,设计使用年限为50年。建筑抗震设防类别为乙类,抗震设防烈度为7度;设计基本加速度值为0.1g;设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,设计特征周期为0.35s。钢管:Φ140及以下杆件选用Q235B钢;Φ140以上杆件选用Q355B钢。
  
  4.3  设计控制指标
  
  屋顶网壳挠度≤ L /250。风荷载下,网壳顶部相对水平位移≤ H /150。应力比:网架杆件设计应力的取值要求:一般杆件设计应力按规范强度设计。值的90%取值;支座附近的杆件设计应力按规范强度设计值的80%取值。支座以上两个节间的关键受压杆件:[λ]≤150;其它受压杆件[λ]≤180;受拉杆:[λ]≤220,关键受拉杆件[λ]≤200。
  
  4.4  结构设计分析
  
  本工程采用MSTCAD软件计算,空间杆系有限元法分析节点位移和杆件内力,节点均按铰接,杆件按轴心受力构件。验算结果:(1)结构在最不利组合下的应力比均<0.9;(2)结构跨中竖向挠度在恒+活标准值下为236mm.挠跨比为1/466<1/250;(3)结构跨中水平向位移在恒+风标准值下为260mm.高跨比为1/177<1/150;(4)结构跨中水平向位移在地震标准值下很小.远远满足<1/250要求。
  
  本工程经过结构优化设计最终确定的网架厚度为3.55m,此时最大杆件为219mmX16mm,螺栓球最大直径为240mm,网架结构杆件总单元数为33456,节点数为8528,螺栓数为48524,网架封闭面积为49275m2,网架最终设计总用钢量为3594.7t,单位用钢量为73kg/m2。
  
  4.5  施工
  
  根据三心圆柱面网架的特点,结合工期安排,现场起重设备的性能及施工难易程度等因素,本工程确定采用分条(块)安装方法。施工前施工单位进行了严谨的施工组织设计和吊装模拟分析,最终顺利完成了网架拼装工作。
  
  (1)大跨度柱面网架结构的设计,风荷载起主要作用,规范中对此类网架结构没有明确规定,在实际工程中应进行风洞试验,以提高结构的安全可靠性。(2)应综合考虑受力性能和经济性两个方面的因素,确定大跨度柱面网架结构的几何参数。(3)实际工程中,应从工期、场地条件、机械设备、施工技术水平等方面综合考虑做出经济合理的选择。(4)大跨度全封闭柱面网架结构形式,可以从根本上解决散货堆场粉尘外溢、撒漏、扬尘等污染问题,对生态环境的保护有着重要的意义。
此文关键字:网架结构设计
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