双层柱面网壳及其支承结构的位移控制

双层柱面网壳及其支承结构的位移控制

本文结合工程实例对网壳结构在无水平拉杆时，并且支承结构抗侧移刚度较差的情况下位移控制及受力特性进行了分析讨论。阐述了网壳及其支承结构协调工作，整体空间受力特点，验证了实际工程应用的可行性。

标签双层柱面网壳；支座水平推力支承结构位移控制。

一、前言

阜新市实验中学风雨操场位于阜新市中华路北侧，整个校区的西南角，是阜新市中华路的一景，其新颖的造型体现了建筑与结构的完美结合，风雨操场馆区平面尺寸42.7m×21m（见图1），支承结构采用二层钢筋混凝土框架，屋面采用双层柱面网壳结构，矢高10m，沿纵向支承在二层框架柱上，一层为原有道路及自行车棚，二层为篮、排球等多功能操场，由于二层建筑功能需要，网壳下弦无法设置水平拉杆。二层柱较高（H=9.5m）（见图2）。抗侧移刚度较差，网壳支座的水平推力对其影响较大，网壳自身的刚度问题以及如何控制柱顶位移是本工程所要解决的关键问题。

二、结构选型

双层柱面网壳结构可选用正放四角锥体系、斜放四角锥体系、两向或三向平面桁架体系以及三角锥体系等。考虑到该结构风荷载市主要荷载，斜放三角锥不易发挥上弦杆件比下弦杆件短的特性，结构刚度也较差，故不宜采用；两向平面桁架特性的侧向刚度较弱，而三向平面桁架体系及三角锥体系则需要较高的制作安装精度，对于这种复杂的曲面结构更增加了难度。正放四角锥受力比较均匀，空间刚度较大，制作安装较为简便；而正放四角锥斜置圆柱面侧向刚度明显增加，但内力分布不均匀，支座处更为明显，对于支座处不均匀沉降也比较敏感，用钢量明显增加。而对于拱桁架和网壳相比较，网壳的用钢量要优于拱桁架，综上所述，该工程采用正放四角锥体系。

三、结构分析

1、支承结构的实际刚度对网壳受力性能的影响

支承结构支座的实际刚度接近刚性时，支座的水平推力会增加许多。要求下部支承结构具有足够的抗侧移刚度；当采用弹性支座时，虽然水平推力明显减少，但跨中挠度却明显增大，使结构的整体刚度有所降低，网壳的实际承载能力也会相应降低。因此，支承结构的抗侧移刚度直接影响到结构的刚度和安全。在设计

时，应保证支承结构的实际抗侧移刚度符合计算假定，建立接近实际的边界条件。

2、风荷载对水平位移的影响

网壳结构往往采用轻屋面，风荷载作用在计算中所占比例较大，计算时应充分考虑风荷载对结构产生的不利影响，不能忽略。

四、结构设计

在工程设计中，由于受场地条件限制和建筑物使用功能等要求，支承结构的二层框架柱较高（9.5m)。网壳结构无法设置水平拉杆，也无法设置有效的止推结构。网壳的支座水平推力完全靠框架柱承担。柱截面尺寸在正常情况下，产生的柱顶位移很大，很难满足网壳支座法向约束的计算假定，在这种情况下，网壳的边界支承条件更接近于弹性。当把支座水平推力施加于柱顶并考虑风荷载共同作用进行支承结构受力计算时，只有加大柱截面尺寸才能满足网壳结构的计算假定。这样又使使用功能受到限制，且很不经济。

本工程设计时，结合工程实际情况，查找有关文献资料并咨询有关专家。将支承结构层间位移控制在合理、安全范围内（H/600）。对网壳结构及其支承结构作为一个整体进行空间受力分析，最大限度地使计算假定符合实际支承条件，使网壳与支承结构协同工作。我们所采用的工程软件是大型有限元分析软件SuperSAP93。经过多次试算和调整优化，在满足安全的前提下，尽量使支承结构与网壳刚度相匹配，最终确定：网壳跨中厚度1.6m，支座处1.2m。支承结构的柱截面尺寸500×1200mm。

荷载取值：结构自重及屋面恒荷载qd,取0.3kN/㎡；屋面活荷载ql, 取0.5kN/㎡；基本风压取ω0=0.6 kN/㎡；基本雪压取s0=0.4 kN/㎡。抗震设防烈度为6度，基本地震加速度为0.05g,场地土类别为Ⅱ类，考虑水平地震作用。

在这组参数下，柱顶位移及内力分析结果如下：

1、柱顶最大侧移：恒载作用下u1=6.8mm；活载作用下u2 =1.9mm；风载作用下u3=5.0mm。

组合：μmax= u 1+0.85（u2 + u3）= 6.8+0.85（1.9+5.0）

= 12.665mm＜H/600=9500/600=15.833mm。

2、弯矩计算结果（推力方向）：

恒载作用下：Mx=436.3KN·m；活载作用下：Mx=167.0KN·m；风载作用下：Mx=122.0KN·m

以上计算结果表明，无论从安全方面还是使用功能方面，均达到了相对比较

理想的结果。

五、结论

1、该工程所采用的双层柱面网壳不仅满足了风雨操场的使用功能要求，而且丰富了建筑造型，获得了较好的效果。

2、多荷载工况下网壳的设计，应注意力的传递路径，设置杆件应使传力路径简捷、直接，同时尽可能使结构内力分布均匀。

3、双层柱面网壳设计要全面考虑支承结构的实际情况，不同的支承条件不能一概而论。工程设计时，应根据支承结构抗拉侧刚度的不同采取相应的计算假定和计算方法及结构措施，尽量建立符合实际的边界条件，这样才能在保证结构安全的前提下做到经济合理。

本工程从1999年建成使用到现在，使用状况良好，不仅满足了使用功能要求，也保证了城市总体规划对该建筑物美观的要求。