张鹏
[摘 要]本文以某市椭球面网壳建筑结构为例，以建筑造型为基础对空间桁架拱支单层网壳结构体系进行分析，从而明确建筑结构的实际受力情况和抗震性能。对不考虑檩条作用的建筑结构进行双重非线性稳定分析，进一步明确了建筑结构中檩条的实际性能。本文就空间桁架拱支单层椭球网壳结构设计进行简要探索，以促进建筑结构设计的科学性和合理性，仅供相关人员参考。
[关键词]空间桁架 拱支单层椭球面网壳 结构 整体稳定性 双重非线性
中图分类号：U231.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0299-01
网壳结构是与平板网架类似的空间杆系结构，在网格的形成上具有一定的规律性，主要通过网壳内两个方向的拉力和压力来实现力的传递，在建筑行业得到广泛的关注，具有良好的发展前景。空间桁架拱支单层椭球面网壳结构具有一定的特殊性和复杂性，加强空间桁架拱支单层椭球面网壳结构的设计和分析，对于建筑物的质量控制具有重要的意义。
1 工程情况简介
本文以某市建筑工程为例，对空间桁架拱支单层椭球面网壳结构设计进行分析，以更好的促进建筑物的整体可靠性和安全性。该工程主要位于城市北部小镇，总体建筑面积达到44000平方米，水面面积约占三分之一，在建成之后将成为国内屈指可数的室内恒温水上乐园。屋盖呈椭球面网壳结构，平面投影为椭球形，该平面投影长轴200米，短轴150米。该工程对建筑室内的采光要求较高，因而该工程在较大范围内采用玻璃材料，易于形成良好的采光效果。
2建筑屋盖的结构体系优选
2.1 屋盖结构体系优选。
在对屋盖结构进行选取时，应当全面系统的对屋盖造型及实际跨度结构进行合理的分析，在此基础上设计合理的屋盖结构方案，促进屋盖结构体系得到有效的选择。根据特定的荷载组合和实际约束力，对建筑物的实际用钢量、通透性以及采光性进行合理的比较分析（见表1），进而促进建筑屋盖结构体系的合理性和可靠性。
在型钢拱方案中，对截面进行合理的选取，在此基础上通过钢管混凝土柱来实现对建筑水平力的有效承载，与此同时有效的减小跨度，从而有效的保证屋盖的实际使用效果。通过对杆件截面以及杆件种类进行分析可知，该方案实际用钢量较大。在双层网壳方案中采用圆管截面，该方案对网壳落地处进行了合理的支座设置，实际用钢量较小，且整体刚度较强，但实际采光性能及视觉效果并不客观。拱支单层网壳结构对拱结构的稳定性和刚度进行了有效的利用，有效的改善了单层网壳结构的实际性能，从整体上提高了建筑结构的整体效能，具有良好的应用特性，与型钢拱相比存在一定优势，并且能够在一定程度上满足建筑物的实际采光性要求，具有良好的视觉效果。因此本工程决定采用拱支单层网壳方案，从而有效的保证建筑物结构设计的可靠性。
2.2 拱支单层网壳结构体系
拱支单层网壳结构主要分为九个区格，空间桁架主要呈“井”字形分布，长轴和短轴主要被分为三跨。在桁架之间进行适宜的马道布置，拱支单层网壳结构体系主要呈八边形。对空间桁架两个方向上的拱跨度进行合理的控制，并对拱桁架的截面形态及上下弦之间垂直管心距离进行合理的控制，确保网格的实际规格满足建筑物的质量要求。在此基础上应当保证上弦平面网格的规格标准化，从而有效的保证拱支单层网壳结构的网格尺寸的一致性。
拱支单层网壳落地处设置混凝土环梁，与拱析架相交处的环梁改为钢析架环梁，8段混凝土环梁和8段钢析架环梁交替相连。拱支单层网壳支承于拱析架及周圈混凝土环梁上，拱析架的设置减小了网壳的跨度，改善了网壳的整体稳定性能。为了最大限度地减小网壳跨度及柱截面，拱析架交叉处采用了二级分叉树状支撑且第二级分叉树状支撑支承单层网壳。柱高为22.5 m，采用圆钢管混凝土柱以减小柱截面；两级分叉树状支撑则都采用圆钢管。柱与分叉树状支撑的连接采用半个焊接空心球节点：半球与柱顶封板焊接，第一级分叉树状支撑焊接十球上。
3 结构基本特性分析
3.1 模型建立
采用ANSYS软件建立拱支单层网壳有限元模型。采用Link10模拟且设置为仅能受拉，预应力施加采用初始应变法；同时建立表面效应单元以施加面荷载。檩托板上焊有十字形肋板，两个方向的檩条都焊接于十字肋板上，檩条采用梁单元以模拟刚接作用。
在找形阶段释放拱脚处的水平约束并在荷载组合（1. 0恒+0. 5活）作用下对预应力进行优化，取拱脚节点处水平位移接近0时的预应力值（1 350kN）。结构设计时增大了拉索的安全系数，原因包括：拉索是结构的重要构件；拉索处于潮湿的地下环境且更换难度大。
钢管混凝土柱底采用刚接，拱脚设置为三向铰接。混凝土环梁采用通过截面形心的梁单元而非实体单元模拟，因此需要耦合节点自由度。单层网壳48个支承点与混凝土环梁对应点耦合三个平动自由度，承台对混凝土环梁的支承作用以约束竖向位移Uz的方式来考虑；钢析架环梁4个角点与混凝土环梁中心点的6个自由度都进行耦合。
3.2 结构荷载
恒荷载包含：结构构件自重，由程序自动计算且取1.2的放大系数以考虑焊接空心球节点的质量；沿拱析架下弦分布的灯具和线槽自重为 1.SkN/m；屋面板自重（含檩条），分别考虑沿长轴（X向）和短轴（Y向）的风荷载，正风压为1. 0kN/耐，负风压为1.2kN/耐。
3.3 静力分析
结构变形计算时，考虑了巧种荷载组合，其中最不利荷载组合是1. 0恒+1. 0活+降温25 0C，对应的最大竖向位移是116. Smm。满足规范要求。由十结构体型和荷载的对称性，节点位移具有对称性。拱析架把完整的网壳划分成9个小区格，各个区格具有独立变形的特点，且最大位移都发生在各自区格的跨中位置并向区格边缘递减，可见作为主受力体系的拱析架对单层网壳的支承作用明显。树状支撑的使用扩大了钢管混凝土柱的支承范围，4个树状支撑所在区域的位移明显减小。结构最大竖向位移发生在中央区格的跨中处，网壳底圈靠近混凝土环梁处的变形最小。结构承载能力计算时考虑了17种荷载组合，单元应力采用基屈服准则计算的等效应力。在最不利荷载组合（1. 2恒+1. 4活+ 1. 4降温25 0C）下，结构的最大等效应力为204.3 MPa 。
4 整体稳定性分析
单层网壳设计的控制因素可能不是强度，而是结构的整体稳定性。特征值屈曲分析是线性分析且属十分支点失稳，网壳初始缺陷的存在使得结构的屈曲性态由分支点失稳变成极值点失稳，而不会出现二次路径，稳定分析时应采用非线性分析方法。
5 结论与建议
通过对该工程可能采用的是那种结构体系进行分析和探索，可知拱支单层网壳结构具有一定的优势，拱桁架一定程度上实现了对大跨度单层网壳的合理划分，从而对网壳结构实现了稳定的支承，适当降低结构合拢温度，有助于维持结构的实际应力，一定程度上有助于经济效益的提升。
参考文献：
[1] 王亚丽.弦支拱析架—单层网壳复合结构体系的分析与研究[D].天津：天津大学，2012.
[2] GB 50755-2012钢结构上程施上规范田」北京：中国建筑上业出版社，2012.
