摘要：近年來，大跨度空間結構的形式豐富多樣，技術水平也在不斷提高。同時大跨度建筑投資大、影響因素多，需要對其進行優(yōu)化，以獲得最佳結構方案節(jié)省投資、提高效率。

　　關鍵詞：高級工程師職稱論文發(fā)表,大跨度空間結構,網(wǎng)架,結構優(yōu)化

　　一、項目綜述：

　　混勻料場是煉鋼廠中的一種大型庫房，一般要求結構跨度大、凈空高，滿足存儲和作業(yè)空間。通過優(yōu)化設計，采取合理的構造措施，使該混勻料場結構的技術經(jīng)濟指標達到一個理想的狀態(tài)。該混勻料場軸線長445m，寬65m，建筑物兩端開敞，拱形屋面，沿縱向支撐于混凝土基礎�？缰袃舾呒s20.5m，軸線建筑面積28925m2。為了降低溫度應力，結構擬分為二個獨立的部分，(圖紙中以分區(qū)一，分區(qū)二描述)每區(qū)間長度為221.25米(29x7.5m=217.5+3.75=221.25m)。結構之間設置溫度縫，溫度縫寬度為2.5m。平立面如圖1所示。

　　圖一 結構分區(qū)布置圖

　　二、結構形式的確定及優(yōu)化

　　2.1 結構形式確定

　　大跨度空間結構，較為常見的有空間桁架以及網(wǎng)架;桁架體系存在構件運輸困難，現(xiàn)場安裝時焊接作業(yè)量較大，安裝時間較長，不適宜本案;而網(wǎng)架結構是由大量桿件以特定的連接形式組合而成的網(wǎng)格狀高次超靜定結構，網(wǎng)架結構以其白重輕、整體剛度大、抗震能力強、經(jīng)濟適用、施 便捷、造型美觀等優(yōu)點得到了大量的應用。因此，最終決定使用網(wǎng)架結構。

　　理論上及多年工程經(jīng)驗顯示，在此類柱面網(wǎng)殼的結構中，應盡量減小結構的彎矩，增加結構沿拱型曲線內部的軸力能夠獲得很好的經(jīng)濟效益，因此，進一步確定采用螺栓球三心拱網(wǎng)架結構并對其進行優(yōu)化。特別是在混勻料場中設備運行要求較高環(huán)境下，三心圓網(wǎng)架結構形式由于其布置靈活性更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。

　　接下來，進一步分析該網(wǎng)架結構中，各桿件組成錐體的基本形式。網(wǎng)架結構中使用的網(wǎng)格形式通常有正放四角錐形式，正放斜置四角錐形式，以及桁架式等。桁架式網(wǎng)架結構的空間受力性能不佳，側向穩(wěn)定性差;而正放斜置四角錐形式傳力不直接，在兩邊開口處桿件內力集中;正放四角錐形式通過跨向的弦桿將力直接傳遞到附近的支座，傳力路徑直接明確。因此，本工程采用正交正放四角錐網(wǎng)架形式，下弦支撐。

　　經(jīng)試算多種分格方案并結合《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》(JGJ 7-2010)中相關構造內容確定本案較為理想的支座間距為7.5m，縱向分格為3.75米/格。如圖二所示：

　　圖二 網(wǎng)架結構軸測圖

　　同時，對結構的幾何參數(shù)進行優(yōu)化，有研究表明，在滿足內部設備運行的情況下，結構越貼近設備邊界時，展開面積越小，經(jīng)濟效益越好。經(jīng)多次試算后確定，將跨度方向分成3段圓弧，其中，小圓半徑約為17.75米，分成4個網(wǎng)格，大圓半徑約為50.33米，分為16個網(wǎng)格;共網(wǎng)格數(shù)為24個，每段長約4米，如圖三所示：

　　圖三 網(wǎng)架結構剖面圖

　　2.2 網(wǎng)架支座處構造優(yōu)化

　　在設計中支座沿縱向間隔布置，并將上弦縱向邊界的非支座節(jié)點及相連桿件去除，如圖三所示：

　　圖四 支座構造

　　如此構造處理產(chǎn)生效果主要有以下二點：

　　(1)被抽空的節(jié)點處受力很小，相連桿件內力主要來自溫度應力，數(shù)值很小，抽空這些桿件后對網(wǎng)殼受力性能的影響可以忽略不計。料場在使用過程中不正確的堆料有可能造成對這些節(jié)點和桿件的擠壓，會產(chǎn)生不必要的附加內力，對網(wǎng)殼受力性能產(chǎn)生負面影響所以這些節(jié)點和桿件應去掉為好。

　　(2)結構料場的使用功能可以在抽空節(jié)點和桿件處自由設置運輸?shù)耐ǖ馈?/p>

　　三. 設計荷載

　　3.1. 荷載取值

　　a.屋面恒載 0.25kN/�O按展開面積

　　b.屋面活載 0.5kN/�O按投影面積

　　c.風載 基本風壓： 0.4kN/�O 高度系數(shù)： 按B類計算

　　d. 溫度作用 升溫20度，降溫45度(按結構合攏時溫度為20～25度計算)

　　f. 地震作用 7.0度 0.15g

　　3.2 風荷載體型系數(shù)的分布

　　該煤棚結構體型較大，風荷載是結構的主要荷載。目前開口的三心圓柱殼的風載體型系數(shù)無現(xiàn)成規(guī)范可依，所以正式施工前宜進行風洞試驗以確定體型系數(shù)。

　　以往的網(wǎng)格結構設計中，常常采用 90°和 30°的水平風荷載下的體型系數(shù)作為設計的依據(jù)。但通過已建成相似結構的風洞試驗的數(shù)據(jù)分析，表明在不同的水平風向角作用下結構的受力情況有較大的差異，結構反彎點的位置有較大的不同。而且，在有向下傾角風荷載作用下，與水平風荷載相比，結構受力往往更加不利。與以上兩個參數(shù)相比，有無堆料對結構的影響不大。為了更加真實反映結構在風荷載作用下的實際受力情況，有必要對建筑風場進行數(shù)值模擬。部分結果如下：

　　3.2.1風壓分布規(guī)律

　　圖五 封閉式落地拱屋蓋表面的風壓分布

　　圖六 開敞式拱形鋼結構上表面的風壓分布

　　圖七 開敞式拱形鋼結構表面的風速矢量

　　對開敞式拱形波紋鋼屋蓋模型的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在橫向風向作用下，其風壓分布具有相同的規(guī)律。

　　圖5為開敞式拱形波紋鋼屋蓋在橫向風作用下上表面的風壓分布，圖4為封閉式落地拱屋蓋表面的風壓分布。由兩圖比較可知，它們的風壓分布規(guī)律基本一致：在迎風面為正壓，頂部及絕大部分背風面為負壓，在背風面邊緣跨中處出現(xiàn)了局部正壓，這和屋蓋的矢跨比有關。當矢跨比大于0.2時，尾流在背風面出現(xiàn)再附著，邊緣局部才表現(xiàn)為正壓。從風壓等值線可以看出，在屋蓋的邊緣處風壓絕對值都很大，即表現(xiàn)出很強的邊緣效應，這也是歷次風災害事故的起因(有文獻)。開敞式拱形波紋鋼屋蓋因四周開敞，來流在內部形成一個很大的漩渦，如圖6所示，與外表面分壓分布所不同的是，在兩端邊緣由于旋渦脫落出現(xiàn)兩個負壓區(qū)，對屋蓋造成比較大的隨機吸力，局部性比較強而且峰值也很大。已有的災情調查、試驗和理論研究，均表明了建筑物部分敞開或突然開孔時，建筑內部的風致壓力對屋面結構的安全有不可忽視的影響。這也正是此類屋蓋端邊緣首先破壞繼而引發(fā)整體破壞的原因。 　　3.3 體型系數(shù)取值

　　圖八 開敞式單跨拱形屋面體型系數(shù)

　　最終取值：最大正風壓1.2(迎風面落地面方向)，最大負風壓-1.3(屋脊處)。

　　四.主要計算結果

　　最大桿件設計應力比： 0.90

　　最大X向位移 10.6mm (沿長度方向)

　　最大Y向位移 67.5mm (跨度方向)

　　最大Z向位移 -75.7mm (豎向)

　　圖十一～十四分別為結構在主要組合工況下的變形圖：(均放大50倍)

　　圖

　　十一 自重+恒載 圖十二 自重+恒載+活載

　　圖十三 左風 圖十二 右風

　　由計算得知：由于結構兩邊支承兩邊開口，所以呈現(xiàn)單向受力狀態(tài)。網(wǎng)殼跨向桿件內力較大，而縱向桿件內力較小。在不同風向角的風荷載作用下，結構的內力分布和位移有很大的差異，桿件在某些工況下受拉，在另外的工況下受壓，每種工況都控制一批桿件的最大內力。所以，在施加風荷載時應多方向角對結構進行加載。

　　五.設計中其他重點關注的問題

　　(1)高強螺栓是按照軸心受拉構件設計的，但是在支座附近會產(chǎn)生較大的附加彎矩和附加內力，螺栓在受拉的同時，還可能承受比較可觀的彎矩和剪力。為了保證結構足夠的安全度，設計時將支座向上三排網(wǎng)格的腹桿和跨向弦桿應力控制在比較低的水平，同時應調高與這些桿件相連高強螺栓的強度等級。

　　(2)網(wǎng)架規(guī)程中規(guī)定壓桿容許長細比為 180，一般拉桿容許長細比為 400，支座附近處為300。結合本案實際情況，考慮到多種荷載工況下，結構受力復雜，反彎點的位置不確定的特點，桿件會出現(xiàn)拉壓變化，設計時采用的容許長細比為壓桿 180，拉桿 180

　　另外：風荷載是本工程中的主要荷載。由于風向角、風力及堆煤情況的變化，風荷載具有隨機不確定的特點，導致結構受力情況復雜。在沒有可靠工程參照經(jīng)驗的情況下，進行風洞實驗確定體型系數(shù)是非常必要的。

　　結束語：大跨度、大空間結構中得到了越來越廣泛的應用。通過對結構荷載工況進行細致的分析可以使建筑物受力更貼近實際情況從而獲得更高的安全性;對結構幾何構造進行優(yōu)化可以在保證結構安全的情況下獲得更好的經(jīng)濟效益。

　　參 考 文 獻

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