空间桁架拱支单层椭球面网壳结构设计与分析

蔡丽

摘  要：桁架结构是一种利于建筑工程施工建造的结构，这种结构的合理应用不仅能够方便相关工程的施工，同时还能够保障建筑工程的质量。目前来说，一些建筑工程的施工过程中，也会经常应用这种构造。而根据施工建筑工程特殊性进行分析，该建筑结构形式也可以灵活运用，以便相关工程的顺利施工。本文对空间桁架拱支单层椭球面网壳结构设计进行说明，并对该结构的应用效果进行论述，希望能够为相关企业提供参考。

关键词：桁架;椭球面;设计

桁架的应用形式有多种，长方体的桁架结构是较为常见桁架样式，这种结构的应用通常会具有简单性，同时还具有方便性，这对相关项目的施工建筑也具有提高效率的意义。但由于工程项目的不同，桁架的应用设计方案也会不同，例如，当相关建筑结构造型为椭球面时，设计人员则应合理对桁架的形式进行设计，如根据建筑造型的椭球面，设计一种拱支单层网壳结构。本文结合某工程项目对空间桁架拱支单层椭球面网壳结构设计进行分析，希望能够促进相关企业的发展。

1 工程概况

某工程项目是一种水世界类型的工程项目，该建筑工程项目的外观为椭球状，总建筑面积约为43000m2，水面面积约为15000m2。外形的椭球的高度为30m，平面投影长轴有200m长、短轴有140m，投影面积为21980m2。椭球面的材料多为玻璃材料，其目的在于利于该建筑结构的室内采光。

2 屋盖结构体系

2.1 屋盖结构体系的对比选择

本文案例工程中，设计了三种具有可行性的屋盖结构体系，即型钢拱、双层网壳、拱支单层网壳。根据该结构的实际应用情况分析，该结构的底部载荷越小时，该方案对建筑结构的稳定性越有利。因此，相关人员对以上方案进行了多方面的比较，如相关方案中可能引起的最大水平推力、用钢的数量、基本周期、通透性、采光性、以及最大竖向位移。相关对比过程如下。

型钢拱方案采用箱形截面，设置4根钢管混凝土柱以减小跨度并承担水平力;面外无支撑，整体刚度弱;杆件截面大且杆件种类的数量受限制，故用钢量大。双层网壳方案采用圆管截面，网壳落地处设置128个三向铰接支座;整体刚度大，水平推力小且用钢量最小，但杆件数量及截面种类多，采光性及视觉效果差。拱支单层网壳结构利用拱结构具有平面内刚度大、稳定性好的特点，改善了单层网壳的整体性能，而单层网壳对拱结构的侧向稳定起到有利作用，二者的相互结合提高了结构的效能，使其各项性能指标除通透性及采光性外，均优于型钢拱，且可以满足建筑的视觉和采光要求。经综合考虑，最终选用拱支单层网壳方案。

2.2 拱支单层网壳结构体系

拱支单层网壳结构体系的设计中，主要是按照“井”字形进行建筑，其单层网壳的是按照4榀作为主要受力结构。这种结构在被设计完成后，将空间桁架拱区分成了9个区格，且长轴、短轴部分都被划分成了3段。长轴划分后的轴向距离为70m、60m.70m;短轴被划分后，其分段跨距为50m、40m、50m。另外，在网壳的顶部也相应布置了马道，其马道形状为8边型。

空间上的桁架跨度分别为190.9m与132.3m。拱桁架的是由两根上弦与一根下弦组成，其截面呈倒三角形状。上下弦安装所用的斜腹杆，促使平面呈现出网格状，其网格规格为6*6m。而为了保证弦平面与拱支单层网壳的网格规格相一致，设计过程中，还将弦平面上的网格细分成了3*3m的结构样式。

拱支单层网格设计的落地位置处应用了混凝土环梁结构的设计形式，这种结构形式与桁架相交处的环梁改为了钢桁架环梁，如設计过程中的8段混凝土环梁与钢桁架环梁交替相连的形式。通过这种利用拱支单层网壳支承于拱架及周围混凝土的环梁上的设计方式，其设计效果表明，拱架的设置起到减少网格跨度的作用，而这种作用也提高了网壳整体的稳定性效果。另外，在设计过程中，拱脚位置的受力情况也势必会具有较大的特点，对此，为了改善拱脚位置的受力情况，设计过程中，采用了在8个拱脚间设置4根拉索的设计样式。同时，为来保障缓解拱脚受力的效果，设计过程中，还在拱桁架交叉的位置处采用了二级分叉树状的支撑方法，树状支撑的过程中主要是用于支撑网壳。

拱支单层的支持柱采用了22.5m的支撑柱，这种柱是一种圆钢管混凝土柱，同时这种柱的设计形式也有利于减小柱的占地面积，并保障支持的效果。分叉树状支持材料的设计过程中，也将其设计成为了圆钢管。在设计柱与分叉树状的连接方式时，采用了焊接方式，并采用了半个焊接空心球节点的形式，例如，半球与柱顶封板的焊接采用的是第一级分叉树状支撑焊接于球上。

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。单层网壳杆件、拱桁架弦杆、钢桁架环梁弦杆、混凝土环梁采用可以考虑材料非线性的Beam188梁单元模拟;拱桁架三面腹杆、钢桁架环梁腹杆以及马道吊杆采用既能受拉也能受压的Link8杆单元模拟;拉索采用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Surf154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Beam188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：1）拉索是结构的重要构件;2）拉索处于潮湿的地下环境且更换难度大。根据现场构造及施工要求，每拱脚设4孔、每孔设置9根15.2钢绞线。

3.2 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于分支点失稳，网壳初始缺陷的存在使得结构的曲形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。单层网壳为缺陷敏感性结得到的第1阶屈曲模态为初始缺陷形状。L/300的初始缺陷大于规范规定的施工中容许的最大安装偏差，但只有当缺陷达到一定数值后，其对结构整体稳定的影响才能够得到充分体现，因此分析时偏安全地将初始缺陷取为L/300，对结构进行线性的特征值屈曲分析。

4 结束语

综上所述，随着建筑行业的发展，建筑工程的施工建设过程中，越来越重视施工过程中的质量性与经济性。空间桁架结构是一种建筑结构的施工组成样式，而这种施工对建筑工程的质量性及经济性施工也具有较为积极的意义。但施工企业的应用桁架施工技术时，还应针对工程特点进行全面分析，以促使桁架钢的施工能够达到工程的相关要求。与此同时，施工设计人员也应该认识到空间桁架拱支单层椭球面网壳结构的设计应用，以促使设计人员的设计具有更多的选择。

参考文献

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