1、1某体育馆钢屋盖设计与分析摘要：空间网架结构作为一种新兴结构已被广泛应用在公共建筑中，其安全性关系到广大人民群众的生命财产安全。本文应用 3D3S 设计软件对某体育馆网架屋盖进行了设计与分析。分析内容包括结构在静力荷载下的内力、变形、结构的动力特性以及网架支座节点的设计等，得出一些有益结论，可为空间网格结构的设计提供参考。 关键词：网架结构、3D3S 设计软件、内力荷载、动力特性、支座节点。 中图分类号：TU356 文献标识码：A 文章编号： 工程概况 该体育馆总长 69.6m、宽 59.4m、高 15.200m，地上三层主体结构为框架混凝土结构、屋盖采用网架结构。屋盖平面为矩形：东西长 63
2、.1m，南北宽 44.3m|，上弦最大设计高度相对室外地坪为 15.200m。屋盖支撑于下部混凝土梁、柱结构上，下部混凝土梁、柱顶标高为 11.200m。 屋盖结构体系和构成 2.1 结构选型 根据建筑造型和下部支撑条件，屋盖采用局部双层正放四角锥网架结构体系，下层网架厚为 2.5m，上层网架厚为 1.5m。下层网架屋面采用2100mm 厚彩色钢板岩棉夹心板，上层网架屋面采用玻璃采光屋面。该屋盖采用周边上弦节点支撑，节点采用焊接空心球节点。结构平、立面如下图 1、图 2 所示： 2.2 正放四角锥网架简介 网架结构是 20 世纪中叶蓬勃发展起来的新结构，它是由多根杆件按照某种有规律的几何图形通
3、过节点连接起来的空间结构，这种结构具有：传力简洁、重量轻、经济指标好、刚度大、抗震性能好、施工安装简便、便于批量生产有利于提高生产效率等优点。网架结构的种类甚多四角锥网架为其中的一种。由四角锥组成的网架结构其基本单元是由 4 跟弦杆、4 跟斜杆构成的正四角锥体，即五面体，椎体可以顺置也可以倒置。由这些四角锥体排列组成网架时，还要用上弦杆或下弦杆把相邻的锥顶连接起来。正放四角锥网架的四角锥底边与边界平行或垂直，角锥满铺于整个网架平面。网架的上（下）弦节点即是顺（倒）置角锥的顶点。 3.结构分析 3.1 计算模型确定 本工程采用空间计算分析模型，分析过程中假定节点为铰接，杆件只承受轴向力；外荷载可
4、按静力等效原则将节点所辖区域的荷载集中作用在该节点上。所采用软件为 3D3S10.1 版。 3钢屋盖所选钢材均为 Q235B。材料的弹性模量 E=2.06GPa，泊松比，材料的屈服强度 235MPa。上层网架上弦杆件规格有：1024.0、1144.5，上层网架腹杆杆件规格有：704.0。下层网架上弦杆件规格有：1024.0、1144.5、1466.0，1215.5、1527.0，下层网架下弦杆件规格有：1024.0、1144.5，下层网架腹杆杆件规格有：704.0、834.5。 3.2 荷载与作用取值 在分析中荷载种类主要考虑以下几种： 1.恒、活荷载 网架上的恒载主要考虑屋面板自重、灯具等即
5、取恒荷载为0.4KN/m2，活荷载主要考虑积灰荷载、雪荷载、施工检修荷载等取为0.50 KN/m2（结构自重由程序自动计算） 。 2.风荷载 取该地区 50 年一遇基本风压 0.3KN/m2。按照文献1的规定，施加在结构单位面积的风荷载标准值为： 式中： 风荷载标准值； 高度 Z 处的风振系数； 风荷载体型系数； 风压高度变化系数； 4基本风压。 雪荷载 按照文献1的规定，取该地区 50 年一遇基本雪压 0.3KN/m2。 4 地震作用 该工程所在位置的抗震设防烈度为 7 度，设计基本加速度为 0.1g，场地类别为类，地震分组为二组。该结构在计算分析中同时考虑了水平方向地震作用和竖向地震作用。
6、 5 荷载组合 工程设计中考虑了 32 种工况。其中典型的荷载组合如下： 1）1.2 恒+1.4 雪（南半跨） ；2）1.2 恒+1.4 雪（北半跨） ；3）1.2恒+1.4 雪（东半跨） ；4）1.2 恒+1.4 雪（西半跨） ；5）1.35 恒+1.4x0.7雪（满跨） ；6）1.35 恒+1.4x0.7 活；7）1.35 恒+1.4x0.7 活+1.4x0.6 风；8）1.2 恒+1.4 活；9）1.2 恒+1.4 风；10）1.0 恒+1.4 风；11）1.2 恒+1.4活+1.4x0.6 风；12）1.2x1.0 恒+1.2x0.5 活+1.3 地震（水平） ；13）1.2x1.0
7、恒+1.2x0.5 活+1.3 地震（竖向） ；14）1.2x1.0 恒+1.2x0.5 活+1.3地震（水平）+0.5 地震（竖向） ； 3.3 结构的静力性能 1.结构内力计算 网架结构是一种高次超静定结构，应进行在外荷载作用下的内力、位移计算，并应根据具体情况，对各种作用下的内力、位移进行计算。结构内力计算一般原则：网架结构的材料都按弹性受力状态考虑，未进入弹塑性状态和塑形状态，亦不考虑材料的非线性性质。基本假定可归5纳如下：节点为铰接，杆件只承受轴向力；按小挠度理论计算；按弹性方法分析。网架杆件主要承受轴向拉力和轴向压力，因此，杆件的截面设计计算根据钢结构设计规范 （GB50017-2
8、003）按轴心受拉或轴心受压进行，应满足强度和稳定的要求。 经计算活荷载对结构受力起控制作用，结构构件在荷载组合 8 下的内力最大。主要构件受力如下表 1： 表 1 网架杆件内力 2.结构的变形计算 根据文献【3】规定空间网格结构的容许挠度值为屋盖短向跨度的1/250。本网架在恒荷载与活荷载标准值作用下的最大挠度值为 127mm，为本网架短向跨度的 1/467，满足文献【3】规定要求。 3.4 结构的动力特性 结构动力分析时仍采用空间计算模型，其中质量源为：1.0 恒荷载+0.5活荷载。结构的频率周期见下表，前 4 阶阵型见图 3图 6。 表 2 频率、周期 从阵型图中可以看出：第一阶阵型为沿
9、宽度方向平动；第二阶阵型为沿长度方向的平动；第三阶阵型为沿竖向的震动；第四阶阵型为平面6内的扭转。从前几阶阵型可以看出结构的侧向刚度较弱一些，这与网架计算模型中释放水平约束有关。在第四阶以后的阵型中多以空间震动为主且在所计算的阵型中未出现局部阵型。结构的动力特性反应了结构的刚度关系，从以上的分析可以看出，屋盖体系结构设置合理，刚度分布比较均匀，没有局部震动。结构良好的动力特性能为结构的安全提供有效保障，在分析中应给与足够的关注。 支座节点设计 支座节点是网架将荷载传递给下部结构的连接部件，它是指支承结构上的网架节点。空间网格结构的支座节点必须具有足够的强度和刚度，在荷载作用下不应先于杆件和其他
10、节点而破坏，也不得产生不可忽略的变形。在实际构造上，支座节点的设计应传力可靠、构造简单，并与计算模型相同。支座节点通常有平板支座、弧形支座、球铰支座和橡胶支座。橡胶板式支座节点，可用于支座反力较大、有抗震要求、温度影响、水平位移较大与有转动要求的大、中跨度空间网格结构。 本工程网架结构跨度较大，各种荷载作用下支座节点的水平推力较7大，考虑到网架对下部混凝土结构的影响，在本次计算中采用橡胶板式支座，释放了支座处沿跨度方向的水平位移，允许网架沿跨度方向有一定的位移，支座节点详见图 7。 结论 1）在该网架结构中活荷载对结构的影响较大，在以活荷载为主的组合工况作用下结构的内力和变形均较大。通过分析对
11、比该结构在静力计算下结构的强度及变形均满足要求。下层网架在与上层网架连接处及其相邻上、下弦杆内力、应力比均较大，最大应力值达 0.956，该部位是结构的关键部位在施工中应给与重视。 2）从动力特性分析中可也看出屋盖体系结构设置合理，刚度分布比较均匀，没有局部震动。结构具有良好的动力特性能。 3）支座节点的设计对于整个网架的内力有效传递至关重要，通过计算发现该网架结构在荷载作用下的水平推力较大，为保障网架与下部结构的安全性本工程支座节点采用橡胶板式支座，从而有效的降低了网架支座的水平荷载保证了结构的安全性。 GB 50092012 建筑结构荷载规范.中国建筑工业出版社，2012 GB 500112010 建筑抗震设计规范. 中国建筑工业出版社，2010 JGJ72010 空间网格结构技术规程.中国建筑工业出版社，2010 GB500172003 钢结构设计规范.中国建筑工业出版社，2003 8喻远鹏，赵黎城，等.株洲体育中心超大跨度伸臂管桁架结构设计J.建筑结构，2008，38(10)
