大跨钢筋混凝土单层柱面网壳结构的设计和研究.pdfVIP

大跨钢筋混凝土单层柱面网壳结构的设计与研究 任晓勇1 钱稼茹2 马宝民1 (1清华大学建筑设计研究院，100084，2清华大学土木工程系．100084) 提要 作为一个近年来较少见的空甸结构，北京红叶葡萄酒主厂房钢筋混凝土柱面联方网壳的屋盖结构很有特点， 结合结构设计，主要介绍了该工程设计的结构方案、结构静力特性、温度应力计算、稳定性及抗震设计，抗震验算中比较了 反应谱分析和时程分析的结果；分析了圆弧形、抛物线形和悬链线形三种曲面形式柱面网壳的静、动力特性和稳定性，在设 计和研究的基础上，对此类钢筋混凝土柱面网壳提出一些具体的设计建议，可供同类结构设计时参考。 关键词柱面网壳、静力特性、稳定性、反应谱、时程分析 一、工程概况 北京红叶葡萄酒厂位于北京市延庆县长城脚下，属8度抗震设防地区(第一组)，地质勘探揭示，建 设场地为山前洪冲击缓坡地带，场地地基土为新近沉积土，场地类别II类。其三栋主厂房平面尺寸分别为 年5月完成设计，2003年7月结构验收。因三栋厂房结构形式相同，本文仅介绍跨度最大的原料发酵车间 的结构设计。 二、结构方案设计 (一)结构材料琏择 由于酒厂车间属水汽和微酸的腐蚀环境，选用钢筋混凝土结构在防腐、耐火、日常维护及美观等方面 较钢结构有着显著的优越性。然而对净跨50m，混凝土结构仍然存在一定的探索性。综合考虑多种因素， 最后采用了单层钢筋混凝土柱面联方网壳结构，曲面形式为圆弧荷。 (二)结构方案选择 经对所选混凝土网壳的矢高、网格划分、拱脚支承、端拱构造、超长分缝等一系列问题反复研究，确 定以结构受荷后变形更加均匀的杆件布置方案为最终设计方案，具体介绍如下： 网壳纵向长度142．5m，不分缝。网壳沿纵向两侧设边粱，由18对三角架和两端端拱支承，三角架水平间 距(开间)7．5m，由立柱和斜柱组成，斜柱沿着弧面的切线方向布置。壳面由空间斜向交叉粱(网格梁)组 成，沿两个方向交叉平行布置，形成菱形网格，平行于两侧边梁上方节点处各设一道纵向杆件(纵肋)。 屋面板采用现场预制保温复合板，与网格梁焊接。杆件布置方案见图1，结构验收时的照片见图2。 553 地基持力层采用承载力较高的②层卵石层，基础采用柱下独立基础，框架柱之间设置基础拉梁，两侧基础 之间沿跨度方向设置预应力钢筋混凝土拉杆以承受网壳的水平推力。 ■2■构■收时的一片 三、结构尊力计算 C--)结构计算程序 本工程采用大型通用分析程序ANSYS进行网壳结构的静力分析、温度应力分析、动力分析及稳定性 分析，计算结果指导本工程的具体设计。 (二)圈亮在尊力作用下的内力和变形 作用于厂房网壳结构上的静力荷载包括恒载、活载和风载。风载效应较小，所以屋盖自重是关注的重 点，这里主要介绍恒载作用下的结果。 对于大跨度网壳结构，因结构变形相对较大，原则上应考虑变形对结构内力产生的影响。本工程在静 力荷载分析的最初阶段，进行了小变形线弹性计算和考虑几何变形非线性影响的计算对比。结果显示，两 种计算方法的结果基本一致，主要杆件的内力差别均在10％以内，因此最终设计的静力和动力计算，均采 用线弹性计算方法，不计及几何非线性的影响。 网壳在竖向均布荷载作用下，表现出连续柱面壳体的特点，即主要呈现薄膜传力的特点，荷载基本沿 拱轴方向传递。在网壳结构的中部区域，变形和内力分布比较均匀，网格梁都为压弯构件；而靠近网壳周 边部位的端部和两侧，位移和内力分布不均匀；尤其四角部位更为复杂，两个方向的梁轴力差距拉大，有 的甚至由压力变为拉力。本工程有5条网格梁最为突出，设计对其作了裂缝宽度的计算和设计。 网格梁双向受弯，切平面内的弯矩远小于法平面内的弯矩，因此将网格梁法平面内的抗弯刚度设计为 远大于切平面内的抗弯刚度：网格粱的扭矩分布也不均匀，网壳顶部及近纵肋处的网格梁的扭矩较大，虽 然绝对数值不大，但网格梁截面较小，抗扭能力较弱，设计时适当配置了抗扭钢筋；网格梁的两个方向的 剪力都较小，小于