浅论单层网壳钢结构采光顶设计

浅论单层网壳钢结构采光顶设计

摘要：介绍了遵义医学院附属医院新蒲医院-门急诊住院综合楼项目。该工程为

门急诊住院综合楼中庭屋顶钢结构部分的单层网壳设计。文中介绍了工程的结构

分析和设计方法。在设计中建立中庭采光顶结构有限元计算模型。在综合考虑工

程重要性的同时，根据结构的几何力学特点，节点的刚度等多种因素的基础上，

对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用等工况组合，对结构

在使用阶段的内力和变形进行分析。在大量计算和分析的基础上，对结构几何体

系和构件进行了设计。并对结构的整体稳定进行了分析。

关键词：网壳的选型设计；节点设计；整体稳定

绪论

本工程为医院门急诊住院综合楼中庭钢结构部分，属于大型公共建筑。钢结构屋盖平面

呈防锤形，结构纵向最长为82.50m，横向最大跨度27.50m，立面呈椭圆形，最高点高度

21.9m。最低点高度15.55 m。整个屋顶建筑面积近1850m2。屋顶中间部分采用夹层中空全

钢化玻璃，两侧部分为铝板。整个结构落在主体混凝土结构上。

深化后采光顶轴侧图

论文正文

一、结构选型

综合考虑建筑的外观效果、经济性、结构安全等因素，屋面结构决定采用经济性、安全

性都较好的网壳结构。本工程钢结构屋面跨度不大，约28m。因此，形式上采用单层网壳结构。下端固定在混凝土平台上，交联过程稳定，重复性好。

结构视图

二、网格划分

在建筑方案的基础上对网壳的曲面形式、几何尺寸重新划分，根据网壳的受力特点，同

时考虑了施工因素等因素，来确定网格类型的选择、网格大小的划分，其目的是使网壳受力

合理，能充分发挥结构材料的力学性能，也考虑了整体造型美观。

除上述原则外，在遵循最优的结构形式，还应考虑加工制作、半成品运输、吊装安装等

条件，与之覆盖的材料协调和匹配，以取得最好的技术和经济效果。综上考虑，在方案设计时，通过分析和比较，最终网格采用了三向网格型，三向网格形是在水平面内形成大小相等

的三角形网格，然后投影到曲面上形成的。由于这种网格结构组成规律性强，结构外形美观，受力好，适用于该工程。

网格划分布置图

边界条件：网壳结构和主体结构混凝土连接采用固定铰支座和滑动铰支座，滑动铰支座

的弹簧刚度取值：K=6000KN/m。网壳结构的梁和立柱，屋面梁和屋面梁，连接均为刚接。

三、结构分析与设计

本工程结构耐久性设计年限为50年，设计使用年限50年，设计基准期为50年，建筑

结构安全等级为二级。结构安全系数γO = 1.0。

计算的相关数据和假定均出自以下规范：

《建筑结构荷载规范》 GB50009—2012

《钢结构设计标准》 GB50017—2017

《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010（2016年修订）

《建筑结构可靠度设计统一标准》 GB50068—2001

《建筑玻璃应用技术规程》 JGJ102—2003

《金属与石材幕墙技术规范》 JGJ133—2001

《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ102—2001

《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010（2015年修订）

《空间网格结构技术规程》 JGJ81-2010

1.荷载类型

（1）恒荷载与活荷载

玻璃自重：采用 8+8+8 中空夹胶（含龙骨） G=0.80 KN/m2

铝板： G=0.50 KN/m2

活荷载 0.50KN/m2

（2）风荷载

本工程50年一遇的基本风压WO= 0.30KN/m2，地面粗糙度B类。风振系数取1.1。

（3）温度作用

初始温度（合拢温度）： 15℃（升温计算）

-5℃（降温计算）

最大正温差： 35℃- 15℃，取25℃

最大负温差： -5℃- 15℃，取-20℃

（4）地震作用

本工程所在地区为非抗震区，屋顶的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g。

（5）雪荷载和积雪荷载

50年的基本雪压0.15KN/m2，积雪分布系数取2.0。积雪荷载取0.30KN/m2。小于活荷载，因此取活荷载，安全起见，设计时考虑半跨荷载作用。

（6）荷载工况组合采用正常使用极限状态组合，和承载力极限状态组合。

2.屋顶网壳结构体系设置

（1）网壳结构体系几何力学特征

本工程属于单层空间网壳。作为设计合理的网壳结构的受力性能应该符合小变形的特征。而且构件的材料为各向同性的小应变弹性材料。网壳结构形式采用三向网格型。网壳跨度从

西向东由27.5m~7.5 m。高度为6.4m左右。

网壳采用四边支承的形式，网壳沿周边布置钢柱，钢柱柱距3m，柱高3.1m。整个网壳

刚接于下部钢柱，由于网壳是拱结构，为了减小对下部主体混凝土结构的影响，南北向钢柱

底部采用固定铰支座，东西向采用双向滑动铰支座。

结构和混凝土采用后置埋件形式。

3.整体结构体系设置

整个网壳根据使用功能的不同分玻璃顶和金属屋面顶，玻璃顶和金属屋面顶两者在其边

界上通过钢框架是相连接的，玻璃顶支承于53根钢柱上，钢柱平面分部呈防锤型，屋顶钢

结构核心部位采用单层网壳结构体系。网壳东侧的钢柱采用焊接矩形截面，规格两种，南北

向钢柱采用BOX-300X200X16X16，东西向钢柱采用BOX-300X300X16X16，材质Q345B。网壳

大面上杆件均采用焊接矩形截面，网壳主梁采用BOX-350X100X16X16，网壳边梁采用BOX-

350X100X16X16，材质Q345B。

屋盖单独计算模型

钢结构屋盖计算与设计主要结果：

（1）构件应力比

构件极限承载力应力比小于0.80，钢构件应力比分布见下图。

钢网壳钢构件应力比分布图

（2）使用荷载作用下的结构变形

依照前文介绍的结构计算方法，采用风荷载、恒荷载、活荷载、温度等各种组合工况作

用下，进行整体模型线性分析。网壳跨中最大竖向变形f = 58.5mm。

f/L=58.5/25432=1/435<1/400，满足《网壳钢结构技术规程》所规定的1/400。

在最不利组合工况下，屋顶最大侧向平面外变形υ=16.8mm，υ/H=1/381小于《玻璃幕墙工程技术规范》所规定的1/250。见图。