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

　　關(guān)鍵詞：高級(jí)工程師職稱論文發(fā)表,大跨度空間結(jié)構(gòu),網(wǎng)架,結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　一、項(xiàng)目綜述：

　　混勻料場(chǎng)是煉鋼廠中的一種大型庫房，一般要求結(jié)構(gòu)跨度大、凈空高，滿足存儲(chǔ)和作業(yè)空間。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取合理的構(gòu)造措施，使該混勻料場(chǎng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)。該混勻料場(chǎng)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(chǔ)。跨中凈高約20.5m，軸線建筑面積28925m2。為了降低溫度應(yīng)力，結(jié)構(gòu)擬分為二個(gè)獨(dú)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(jié)構(gòu)之間設(shè)置溫度縫，溫度縫寬度為2.5m。平立面如圖1所示。

　　圖一 結(jié)構(gòu)分區(qū)布置圖

　　二、結(jié)構(gòu)形式的確定及優(yōu)化

　　2.1 結(jié)構(gòu)形式確定

　　大跨度空間結(jié)構(gòu)，較為常見的有空間桁架以及網(wǎng)架;桁架體系存在構(gòu)件運(yùn)輸困難，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)焊接作業(yè)量較大，安裝時(shí)間較長，不適宜本案;而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其白重輕、整體剛度大、抗震能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用、施 便捷、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)得到了大量的應(yīng)用。因此，最終決定使用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

　　理論上及多年工程經(jīng)驗(yàn)顯示，在此類柱面網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的彎矩，增加結(jié)構(gòu)沿拱型曲線內(nèi)部的軸力能夠獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益，因此，進(jìn)一步確定采用螺栓球三心拱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。特別是在混勻料場(chǎng)中設(shè)備運(yùn)行要求較高環(huán)境下，三心圓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式由于其布置靈活性更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。

　　接下來，進(jìn)一步分析該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，各桿件組成錐體的基本形式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的空間受力性能不佳，側(cè)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(nèi)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(jié)合《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7-2010)中相關(guān)構(gòu)造內(nèi)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(jié)構(gòu)軸測(cè)圖

　　同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有研究表明，在滿足內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行的情況下，結(jié)構(gòu)越貼近設(shè)備邊界時(shí)，展開面積越小，經(jīng)濟(jì)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(gè)網(wǎng)格，大圓半徑約為50.33米，分為16個(gè)網(wǎng)格;共網(wǎng)格數(shù)為24個(gè)，每段長約4米，如圖三所示：

　　圖三 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剖面圖

　　2.2 網(wǎng)架支座處構(gòu)造優(yōu)化

　　在設(shè)計(jì)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(diǎn)及相連桿件去除，如圖三所示：

　　圖四 支座構(gòu)造

　　如此構(gòu)造處理產(chǎn)生效果主要有以下二點(diǎn)：

　　(1)被抽空的節(jié)點(diǎn)處受力很小，相連桿件內(nèi)力主要來自溫度應(yīng)力，數(shù)值很小，抽空這些桿件后對(duì)網(wǎng)殼受力性能的影響可以忽略不計(jì)。料場(chǎng)在使用過程中不正確的堆料有可能造成對(duì)這些節(jié)點(diǎn)和桿件的擠壓，會(huì)產(chǎn)生不必要的附加內(nèi)力，對(duì)網(wǎng)殼受力性能產(chǎn)生負(fù)面影響所以這些節(jié)點(diǎn)和桿件應(yīng)去掉為好。

　　(2)結(jié)構(gòu)料場(chǎng)的使用功能可以在抽空節(jié)點(diǎn)和桿件處自由設(shè)置運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈?/p>

　　三. 設(shè)計(jì)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(fēng)載 基本風(fēng)壓： 0.4kN/�O 高度系數(shù)： 按B類計(jì)算

　　d. 溫度作用 升溫20度，降溫45度(按結(jié)構(gòu)合攏時(shí)溫度為20～25度計(jì)算)

　　f. 地震作用 7.0度 0.15g

　　3.2 風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布

　　該煤棚結(jié)構(gòu)體型較大，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)的主要荷載。目前開口的三心圓柱殼的風(fēng)載體型系數(shù)無現(xiàn)成規(guī)范可依，所以正式施工前宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以確定體型系數(shù)。

　　以往的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常常采用 90°和 30°的水平風(fēng)荷載下的體型系數(shù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。但通過已建成相似結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，表明在不同的水平風(fēng)向角作用下結(jié)構(gòu)的受力情況有較大的差異，結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)的位置有較大的不同。而且，在有向下傾角風(fēng)荷載作用下，與水平風(fēng)荷載相比，結(jié)構(gòu)受力往往更加不利。與以上兩個(gè)參數(shù)相比，有無堆料對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大。為了更加真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的實(shí)際受力情況，有必要對(duì)建筑風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。部分結(jié)果如下：

　　3.2.1風(fēng)壓分布規(guī)律

　　圖五 封閉式落地拱屋蓋表面的風(fēng)壓分布

　　圖六 開敞式拱形鋼結(jié)構(gòu)上表面的風(fēng)壓分布

　　圖七 開敞式拱形鋼結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)速矢量

　　對(duì)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(fēng)向作用下，其風(fēng)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(fēng)作用下上表面的風(fēng)壓分布，圖4為封閉式落地拱屋蓋表面的風(fēng)壓分布。由兩圖比較可知，它們的風(fēng)壓分布規(guī)律基本一致：在迎風(fēng)面為正壓，頂部及絕大部分背風(fēng)面為負(fù)壓，在背風(fēng)面邊緣跨中處出現(xiàn)了局部正壓，這和屋蓋的矢跨比有關(guān)。當(dāng)矢跨比大于0.2時(shí)，尾流在背風(fēng)面出現(xiàn)再附著，邊緣局部才表現(xiàn)為正壓。從風(fēng)壓等值線可以看出，在屋蓋的邊緣處風(fēng)壓絕對(duì)值都很大，即表現(xiàn)出很強(qiáng)的邊緣效應(yīng)，這也是歷次風(fēng)災(zāi)害事故的起因(有文獻(xiàn))。開敞式拱形波紋鋼屋蓋因四周開敞，來流在內(nèi)部形成一個(gè)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(gè)負(fù)壓區(qū)，對(duì)屋蓋造成比較大的隨機(jī)吸力，局部性比較強(qiáng)而且峰值也很大。已有的災(zāi)情調(diào)查、試驗(yàn)和理論研究，均表明了建筑物部分敞開或突然開孔時(shí)，建筑內(nèi)部的風(fēng)致壓力對(duì)屋面結(jié)構(gòu)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(fēng)壓1.2(迎風(fēng)面落地面方向)，最大負(fù)風(fēng)壓-1.3(屋脊處)。

　　四.主要計(jì)算結(jié)果

　　最大桿件設(shè)計(jì)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fēng) 圖十二 右風(fēng)

　　由計(jì)算得知：由于結(jié)構(gòu)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(nèi)力較大，而縱向桿件內(nèi)力較小。在不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(nèi)力。所以，在施加風(fēng)荷載時(shí)應(yīng)多方向角對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。

　　五.設(shè)計(jì)中其他重點(diǎn)關(guān)注的問題

　　(1)高強(qiáng)螺栓是按照軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)的，但是在支座附近會(huì)產(chǎn)生較大的附加彎矩和附加內(nèi)力，螺栓在受拉的同時(shí)，還可能承受比較可觀的彎矩和剪力。為了保證結(jié)構(gòu)足夠的安全度，設(shè)計(jì)時(shí)將支座向上三排網(wǎng)格的腹桿和跨向弦桿應(yīng)力控制在比較低的水平，同時(shí)應(yīng)調(diào)高與這些桿件相連高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度等級(jí)。

　　(2)網(wǎng)架規(guī)程中規(guī)定壓桿容許長細(xì)比為 180，一般拉桿容許長細(xì)比為 400，支座附近處為300。結(jié)合本案實(shí)際情況，考慮到多種荷載工況下，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，反彎點(diǎn)的位置不確定的特點(diǎn)，桿件會(huì)出現(xiàn)拉壓變化，設(shè)計(jì)時(shí)采用的容許長細(xì)比為壓桿 180，拉桿 180

　　另外：風(fēng)荷載是本工程中的主要荷載。由于風(fēng)向角、風(fēng)力及堆煤情況的變化，風(fēng)荷載具有隨機(jī)不確定的特點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜。在沒有可靠工程參照經(jīng)驗(yàn)的情況下，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定體型系數(shù)是非常必要的。

　　結(jié)束語：大跨度、大空間結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通過對(duì)結(jié)構(gòu)荷載工況進(jìn)行細(xì)致的分析可以使建筑物受力更貼近實(shí)際情況從而獲得更高的安全性;對(duì)結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化可以在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[s].2012.

　　[2] CECS 167： 2004拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(試用) [s].

　　[3]空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ 7-2010

　　[4] 孫曉穎，武岳，沈世釗.鞍形屋蓋平均風(fēng)壓分布特性的數(shù)值模擬研究[J] .工程力學(xué)，2006，23(10)：7-14.

　　[5] 金新陽，楊偉，金海，陳岱林.數(shù)值風(fēng)工程應(yīng)用中湍流模型的比較研究[J].建筑科學(xué).2006，22(5) ，2-4.

　　[6]范學(xué)偉，徐國彬.工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)破壞和抗風(fēng)設(shè)計(jì)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，11(5)：73-76.