双层网壳结构的静力分析与设计

双层网壳结构的静力分析与设计

摘要：本文简述了双层网壳的静力设计过程，并通过对杆件内力的分析和变形能力的探讨得出如下结论：双层网壳这种结构型式具有有较强的承载能力，良好的稳定性和优越的协调变形性能，是各种大跨度建筑值得采用的一种屋盖型式。

关键词：双层网壳，柱壳，大跨度空间结构。

设计概况：某展览馆主展厅屋面为弧线形，跨度27m，结合使用要求，拟采用双层网壳的屋盖结构型式。该结构不仅具有有较高的承载能力，且当在屋顶安装照明、空调等各种设备及管道时，它还能有效地利用空间，方便吊顶构造，经济合理。

一、柱壳结构的型式与分析

1 柱壳结构型式

本设计所用柱壳采用正放四角锥体系，柱壳跨度27m，矢高4.5m，纵向长度42m。杆件长度控制在3m～3.5m之间。

2 柱壳结构分析

结构分析的核心问题是计算模型的确定。本设计中柱壳结构的计算模型为空

图1 柱壳上弦支座图

图1中，a点为二向支承（约束x，z方向位移），d点为二向支承（约束y，z方向位移），c点为三向支承（约束x，y，z方向位移），其余带×号的各点均设置单向支承（只约束z方向的位移）。

柱壳结构为大型复杂结构，因此采用有限元分析软件SAP2000对其进行结构分析，并结合我国钢结构设计规范对各杆件进行截面设计和验算。

二、静力设计

1、荷载计算

1）恒载标准值计算

2

/375

m KN 2/5m KN 2

/m KN 屋面构件及网壳自重恒载： 0.752/m KN 灯具： 0.052/m KN

2）活载标准值计算

屋面活载：0.52/m KN ； 雪荷载：375.05.075.00=⨯=⨯=s s r k μ2/m KN ；

风荷载： C 类地貌，风压高度变化系数查表得74.0=z μ，风振系数

0.1=z β

2所示：

因此，有：21/0789.0m KN w -=，22/237.0m KN w -= ，23/148.0m KN w -=

2○

1。 ○

2 ○

3

6/127/5.4/==l f 15

4)2.06/1(1.02.0-=-⨯-=s μl f /s μ

0.10.8

-0.20

0.50.6

+

.0.02/m KN 2

/m KN ○

4

○

5

○

6

图8中， m h 15463.11=， m h 34537.32= ，m S 11512.71=

m S 38488.62= ，m S 000.27=，下同。

风荷载为吸力，方向为离开屋面向外。

3、荷载组合

本设计中，荷载主要作用在上弦，下弦仅作用有灯具恒载，因此，为简化计

算和利于表达，现将各组合中的下弦灯具荷载计算如下：

各组合中，下弦荷载设计值为：

1）可变荷载控制的组合下：2/06.005.02.1m KN q d =⨯=，均匀分布；

2）永久荷载控制的组合下：2/0675.005.035.1m KN q d =⨯=，

均匀分布。 以上各值对各组合均相同。

上弦荷载组合如下：

○1 组合1 ○2 ○

6 ⎪⎩⎪⎨⎧⎭⎬⎫ 取大值 风荷载 全跨均布雪荷载 屋面活荷载 恒荷载

2/m .02

/m KN .01）由可变荷载控制的组合，荷载分项系数分别取1.2和1.4

2）由永久荷载控制的组合，荷载分项系数分别取1.35和1.4

荷载设计值：1.35×○1＋1.4×0.7×○2＋1.4×0.6×○6（矢量相加）

荷载分布图如图10：

→

图10 组合1-2）的荷载分布图

当风向变为从右向左时，荷载分布与风向从左向右时的荷载分布分别对称，

二者并无本质区别，故不再详细叙述。

比较可变荷载控制下的组合1-1）与永久荷载控制下的组合1-2），可以知道

组合1-1）的竖向分布荷载相当于在组合1-2）的竖向分布荷载上添加一个向下

的均布荷载2/097500

.0m KN ，而后者无水平分布荷载，因此，组合1-1）比组合1-2）更不利。

恒荷载 ○1 组合2 半跨均布雪荷载 ○4 风荷载 ○6

同组合1的分析类似：

⎪⎩

⎪⎨⎧2

/37818.1m KN 2/30342.1m KN 2/436224.1m KN 1h 2h 1S 1S 2S 2S S

2/m .02

/m .0

2/m .02

/m KN .0→

恒荷载 ○1 组合3 全跨不均布雪荷载 ○5 风荷载 ○6

同组合1的分析类似：

最后，综合比较三种组合：组合1、组合2、组合3下的最不利组合，可以

知道组合1的情况最不利。最不利荷载分布为组合1中的由可变荷载控制的组合1-1），其荷载分布图见图9。（注：在用SAP2000分析时，根据最不利荷载分布设计各杆件截面。）

4、 节点荷载计算

在网壳结构中，各杆件单元均为二力杆，只承受节点荷载，因此，在用SAP2000

分析，给网壳施加荷载时，需将各种组合下的分布荷载转化为节点荷载。

⎪⎩

⎪⎨⎧

5、杆件设计

1）杆件材料与截面形式

本柱壳杆件采用钢材，钢材的等级为Q235。杆件的截面形式为圆钢管，所用钢管从下列型号中选取：ø60×3，ø76×3.5，ø89×4.0，ø114×4.0，ø127×4.5，ø140×5.0，ø152×6.0，ø159×6.0，ø159×8.0。为了施工上的方便，要求所选钢管在3～4种之间。

2）杆件选取

建立SAP2000模型，并施加最不利组合下的节点荷载，初选杆件，设置好各参数，即可运行SAP2000分析该柱壳结构。

从分析结果可以看出：外荷载主要由跨度方向的弦杆承受，纵向弦杆的内力较小。如果把柱壳结构的作用看成为跨度方向拱的作用与长度方向梁的作用相结合，那么很明显地，结构以拱的受力作用为主，材料利用率较高。而且，柱壳中内力分布比较均匀，传力路线短，结构受力较为合理。总体上看，柱壳结构呈现出上弦杆受压，下弦杆受拉的特征。上弦最大压杆和下弦最大拉杆分别出现在上弦和下弦的中部，都属于跨度方向的弦杆。腹杆受力较为复杂，受拉与受压杆件交错排列，而且周边杆件内力较大，中部杆件内力较小。支座反力的分布为：四个角点处支座竖向反力向下，反力值小；其余支座处均向上，反力值大；并且，沿跨度方向布置的支座，跨中支座处反力值较大；沿长度方向布置的支座，长跨跨中支座处反力值较大。节点挠度，中间大，周边小，中央部分节点挠度最大。

验算最大拉压杆，如果不满足截面强度要求，必须重新选取杆件，直至所有杆件的强度条件均符合要求。同时，还必须保证柱壳的刚度，在正常使用状态下其最大挠度不得超过短跨长度的1/400。另外，由于空间网格结构的构件“没有主次”，存在强度过剩问题，因此，为充分利用各杆件，应尽可能使用小截面钢管。同时，这也将使得整个结构总用钢量减少，造价降低。

所选取的杆件统计如下：

所用钢管截面分类总数目所在位置、数目及钢管下料编号

ø114×4 25根上弦横杆，编号1