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大跨度網(wǎng)架與下部支承結構協(xié)同作用分析
網(wǎng)架結構是由多根桿件按照一定的網(wǎng)格形式通過(guò)節點(diǎn)連結而成的空間結構。具有空間受力小、重量輕、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn);可用作體育館、 影劇院、展覽廳、候車(chē)廳、體育場(chǎng)看臺雨篷、飛機庫、雙向大柱距車(chē)間等建筑的屋蓋。缺點(diǎn)是匯交于節點(diǎn)上的桿件數量較多，制作安裝較平面結構復雜。
摘要：隨著(zhù)我國社會(huì )主義現代化建設的發(fā)展，建筑施工新工藝、新材料、新技術(shù)的不斷研發(fā)，對建筑的空間使用需求越來(lái)越高，關(guān)于大跨度網(wǎng)架的應用越來(lái)越廣泛，已逐漸發(fā)展為衡量一個(gè)國家或地區建筑科學(xué)發(fā)展水平的重要指標。而由于結構體系的多樣性和空間使用需求的提高，獨立的簡(jiǎn)化模型與邊界條件已經(jīng)不足以滿(mǎn)足設計需求，需要結合大型空間結構設計軟件進(jìn)行整體協(xié)同分析才能更真實(shí)反映出結構實(shí)際受力特點(diǎn)�；诖�，本文主要分析了大跨度網(wǎng)架與下部支承結構在地震作用下的協(xié)同工作。
關(guān)鍵詞：大跨度網(wǎng)架;協(xié)同作用;下部支承結構
一、模型的簡(jiǎn)化與有限元模型的建立
本文以3x36m大跨度，4x18m大柱距矩形平面組成的某廠(chǎng)房為分析對象(如圖1)。其中，該廠(chǎng)房網(wǎng)架結構的計算模型設定為空間鉸接桿系結構。結構所采用材料為線(xiàn)彈性、各向同性，并且其遵循靜力等效原則，將結構的外荷載集中作用于網(wǎng)架節點(diǎn)上。
圖1：某廠(chǎng)房網(wǎng)架結構簡(jiǎn)圖
本文通過(guò)ANSYS有限元程序作出靜力與反應譜分析。其中，網(wǎng)架桿件與下部柱分別為空間桿單元、空間梁柱單元，建立了以下兩種有限元模型。
模型一：柱頭與網(wǎng)架通過(guò)鉸接形式實(shí)現連接，而柱底為固定約束，為整體計算模型。
模型二：對上部網(wǎng)架結構與下部支承結構進(jìn)行分別計算，在進(jìn)行網(wǎng)架計算時(shí)，不計入柱的彈簧剛度，計算以與柱相接處固定鉸支承為主。在進(jìn)行下部支承結構計算時(shí)，橫梁剛度納入折算剛度與無(wú)窮大兩種情況。
二、吊車(chē)荷載參與組合下的比較分析
2.1 網(wǎng)架撓度
經(jīng)計算結果得出，模型一與模型二的撓度變化規律無(wú)明顯區別。從整體上看，模型一相比于模型二，在網(wǎng)架跨度中撓度要高出10%～20%，其形成原因主要源自下部框架柱的彈性變形(見(jiàn)圖2)。
圖2：剖面下弦節點(diǎn)撓度曲線(xiàn)
2.2 網(wǎng)架桿件的內力
在A(yíng)B、CD跨的上弦桿件內力方面，模型一計算與模型二相比，要低于5%左右，其上弦桿件主要承受壓力。在A(yíng)B、CD跨的下弦桿件內力方面，模型一的計算結果相比于模型二，大約高出15%，其桿件主要受拉，并且在邊柱支承部分，出現個(gè)別下弦桿件的軸力變化狀況，表明模型二計算方式會(huì )形成網(wǎng)架部分下弦桿件的安全隱患。而在斜腹桿、BC跨的上、下弦桿方面，其桿件內力在兩種模型計算中無(wú)明顯差別。
2.3 框架柱的側移
在框架柱方面，通過(guò)平面排架(EI= )、平面排架( )與空間整體體系三種方案進(jìn)行計算比較。其中，以 為框架橫梁的折算慣性矩近似計算公式，y1、y2為網(wǎng)架在跨中處的上、下弦桿重心線(xiàn)分別至中和軸的距離， 為下部結構計算簡(jiǎn)圖范圍內的網(wǎng)架上弦桿; 則為其網(wǎng)架下弦桿。經(jīng)計算結果得出，在框架柱水平位移方面，相比于平面計算模型，空間計算模型的相應位移要更低一些。究其原因，主要為網(wǎng)架與下部柱空間的整體協(xié)同作用，形成的荷載分擔結果。而通過(guò)平面排架計算時(shí)，僅計算相應的柱列承受吊車(chē)水平荷載，致使其形成的側移結果變大。
三、地震作用下的比較分析
3.1 地震信息
該網(wǎng)架廠(chǎng)區建于7度地區，為Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地土，重力荷載代表值為結構50%活載與恒載組合，各振型阻尼比是0.02。在其地震作用分析中，采用反應譜法，并按照相關(guān)規定進(jìn)行網(wǎng)架的豎向地震作用分析以及框架柱的水平地震作用分析。
3.2 網(wǎng)架在豎向地震作用下的撓度
通過(guò)對兩種模型的計算分析得出，在豎向地震作用下，受框架柱的變形影響，模型二的撓度要低于模型二15%左右，與上文分析中，吊車(chē)荷載組合作用下的結果一致(見(jiàn)圖3)。
圖3：剖面下弦點(diǎn)在豎向地震作用下的撓度曲線(xiàn)
3.3 網(wǎng)架下弦桿在豎向地震作用下的內力
在豎向地震作用下，模型一與模型二計算得出的網(wǎng)架上弦桿與斜腹桿在內力上，并沒(méi)有出現較明顯的變化。但在下弦桿方面產(chǎn)生影響較大，模型一與模型二相比，要高出10%左右(見(jiàn)圖4)。
圖4：剖面下弦桿的內力曲線(xiàn)
因此，在其分析中，必須考慮吊車(chē)荷載經(jīng)通過(guò)柱對網(wǎng)架形成的作用，否則會(huì )形成模型二計算的網(wǎng)架下弦桿件的安全性不足。
3.4 框架柱在水平地震作用下的位移
通過(guò)三種不同方案的計算得出，在水平地震作用下，框架柱的水平位移，以空間整體作用計算的結果與平面計算結果并無(wú)較大區別。由分析得出，形成此結果的主要原因為地震作用在廠(chǎng)房中的均勻分布造成。
3.5 框架柱在水平地震作用下的彎矩
由三種不同計算方案得出，在水平地震作用下，相比于平面排架計算，通過(guò)整體計算的柱子彎矩要低出20%左右，其雖然在幅度上小于吊車(chē)荷載組合，但仍能為柱子設計帶來(lái)較大的經(jīng)濟效益。
四、分析結果
在大跨度網(wǎng)架廠(chǎng)房設計中，通過(guò)整體模型計算在很大程度上降低柱子的彎矩與側移，有利于柱子設計，形成較大的經(jīng)濟效益。而平面排架模型計算方式，由于未將空間工作納入計算中，使柱子設計截面擴大，進(jìn)而增加了下部支承結構的用鋼量，成本花費較高。同時(shí)，避免了由于隔離體系分析造成的網(wǎng)架下弦桿可能受壓失穩的不利情況。在大跨度網(wǎng)架廠(chǎng)房設計中，為了使網(wǎng)架與柱聯(lián)結處桿件的應力峰值降低，可以在網(wǎng)架支承處沿邊界相應位置設置上弦、下弦交叉水平支撐。
參考文獻：
[1] 宋林. 淺析多層大跨超長(cháng)混合建筑結構設計[J]. 安徽建筑. 2014(04)
[2] 薛素鐸，劉毅. 大跨空間結構協(xié)同工作問(wèn)題研究現狀及展望[J]. 工業(yè)建筑. 2015(01)
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