大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构静力分析

2020-05-18雷震宇马克俭

中国水运 2020年2期

雷震宇马克俭

摘要：为研究大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架屋盖的静力性能，基于Midas建模，对该空腹网架结构进行静力性能分析。研究表明，在屋盖自重和荷载作用下，上弦杆以受压为主，下弦杆以受拉为主，腹杆受剪为主，在进行内力分析时，其最大的挠度发生在四周破屋面靠楼盖中心部位，其值远低于限值，具有非常好的力学性能。结构内力的最大值出现在各模拟支撑支座处，在设计时建议采用实腹梁以承受楼板结构传递来的荷载。

关键词：空腹网架;静力性能;有限元;

中图分类号：TU312 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）02-0057-03

为贯彻国家提出的节约型社会的方针和政策，马克俭院士提出了大跨度四坡水混凝土空腹网架新型屋蓋结构体系，该屋盖结构是一种新型的建筑结构，当到顶层时，周边框架继续延伸到屋盖，中间柱网框架停留于顶层，使建筑顶层形成大跨度室内无柱的大型公共空间，达到节约土地促进生态文明建设的功效。此大跨度、大面积的屋盖为了体现民族风情，一般为四坡水屋面造型。采用混凝土屋面板可以克服钢结构后期维护成本高的不足，达到节能减排的要求，弥补了国内该方面建筑结构大多在“安全、经济、合理、环保、节约”等方面的不足。

研究结构静力分析是结构受力性能分析的基础，大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构为一种新型结构，还有待研究，静力分析主要包括荷载效应下的挠度、支座反力、构件内力分析等，静力分析能够反应结构的刚度，是研究结构基本力学性能的一个十分重要的方面。本文运用通用有限元软件研究了结构挠度的变化规律、上下弦杆和剪力键内力分布。

1 有限元模型

为了分析大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架屋盖的静力性能，采用MIDAS GEN建立了空腹网架的有限元基础模型，大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架屋盖结构有限元模型平面尺寸为30m×30m，楼盖高度 3900mm，矢跨比13/100，空腹网格投影平面边长为2.5m，边梁上下高度为0.6m，大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架屋盖模型图如图1所示。各构件尺寸、材料、材料相关属性和选用的有限元单元类型如表1所示。屋盖四角及每隔10m通过约束柱顶节点全部自由度以模拟柱支承（不考虑柱的水平弹性刚度）。结构自重及外加荷载通过质量单元转化节点集中质量，参考《建筑结构荷载规范》GB50009-2012对结构施加恒荷载为3.0 kN/m2，活荷载取1kN/m2，进行分析，各构件其横截面符合平截面假定。

2 屋盖结构内力分布

计算楼盖结构内力时，按承载力极限状态进行荷载组合，荷载采用基本组合方式，经计算对比，应采用永久荷载控制的效应设计值，由软件求解结构的轴力、剪力和弯矩并输出相关的内力图。

2.1内力分析

上弦杆的内力图如图2-图4所示，由图2可知，上弦杆在结构的边跨附近受拉，数值很小，说明结构在该部分的构件基本不参与轴向工作，而其他部位都是受压力，主要受压部位为与各个柱支撑相向连接的部分，最大值出现在与支座连接的纵向部位，其值为-293.36KN;由图3可知，上弦杆剪力主要以横向为主，表面主要维持结构的稳定性，最大剪力位置为坡顶位置，其大小为5.46KN，上弦杆的整体承受剪力较小，表明结构主要承担其他作用力;由图4可知，上弦杆的弯矩由支撑部位向结构跨中逐渐减少，最大负弯矩为106.67KN·m，发生在结构的支座部位。上弦杆在设计的时候可以考虑适当加大支撑柱位置的构件尺寸，以提高其承载能力。

腹杆的内力如图5～图7所示，由图5所知，该结构大部分位置腹杆轴力以受压为主，而在结构模拟支撑柱承受了最大压力，最大值为336.42KN。由图6所知，腹杆的最大值703.125KN，这说明了腹杆主要是以承受剪力为主。腹杆的剪力在整个结构内分布规律为四边偏小，中间大。在靠近支座处达到最大值。腹杆的弯矩如图7所示，最大弯矩为183.352KN·m，弯矩的最大值为柱支撑处，弯矩在平面内的分布为中间小，向支座处逐渐增大。在进行结构设计的时候，可以考虑在将边梁做成实腹梁，分担腹杆所承担的弯矩和剪力。

下弦杆的内力如图8～图10所示，由图8可知，下弦杆的轴力最大值为169.94KN，最大值发生在柱支撑处向结构内部连接处的构件，下弦杆大部分构件为受拉主;由图9可知，下弦杆的剪力最大值14.98KN，剪力比轴力小一个数量级，说明下弦杆主要以承受拉弯为主;由图10所示，下弦杆的弯矩同样是边跨最大，最大弯矩-100.43KN·m。从数据大小上可以看出，下弦杆的内力明显比上弦杆的大，这可能是因为表层屋盖板也参与了结构协同受力。上弦杆的所受的荷载有结构自重、屋面活荷载和屋面恒荷载载，而下弦杆所受荷载除上述荷载外，还有腹键连接上下弦杆传递荷载时候，施加给上弦杆向上的作用力，该力可以看做反向力，作用方向与楼面荷载和自重相反。但是，施加给下弦杆向下的作用力，作用方向与自重相同，这将使得下弦杆所受的力大于上弦杆，且下弦杆受拉，上弦杆受压，又由于混凝土受拉性能远远小于受压性能，进行受力分析时，应该重点关注大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构下弦杆的受力情况。

2.2 位移分析

采用原模型，在计算楼盖模型的位移时，本文研究的大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构自重通过设置重力加速度的方式由MIDAS软件自动赋予，按照正常使用极限状态荷载组合，改盖屋盖结构为不上人的屋面，但为了更好数值模拟，所以在表层薄板上施加荷载4kN/m2（其中活荷载3kN/m2，附加恒荷载1kN/m2），进行计算楼盖整体竖向位移，并输出相应的竖向变形。结构整体竖向位移云图如图11所示，

从位移云圖中可以看出，大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构整体竖向位移从支座到跨中逐渐增大，最大的竖向位移位于模型中心周围对称的四个位置处，其值为4mm，为楼盖跨度的4/30000，满足规范的要求，屋盖结构力学性能非常好，有非常大的储备刚度。

3 结论

通过有限元软件，对大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构的静力性能进行了研究，通过计算结果的分析，可以得出以下的结论：

（1）大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构内力的最大值主要出现在支座处，上弦杆以受压为主，下弦杆以受弯为主，腹杆受剪为主，在进行内力分析时，上弦杆有表层薄板承担受力，应该重点关注下弦杆的受力情况，其支座处受力比较大，在设计时可采用实腹梁以承受楼板结构传递来的荷载。

（2）大跨度方形平面四坡水混凝土空腹网架结构在自重和荷载作用下，其最大的挠度发生在四周破屋面靠楼盖中心部位，且四向对称，其挠度充分满足楼盖挠度限值要求。并有非常大的储备刚度;周边边梁与支撑部位没有位移发生;

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