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大跨度胶合木网格(壳)结构设计案例

【摘要】:温室不采用拉索,而是采用钢-木刚性结构体系,展览温室上部结构采用钢-木组合网壳结构体系。图2.5温室结构三维示意图图2.6北侧墙体构造图1)结构计算模型结构计算模型,如图2.7 所示。图2.8上、下杆件之间设置刚性杆及连接假定建立三维结构力学模型,进行温室上部结构整体力学分析及截面设计验算。从表2.10 可以看出,结构在地震作用下的位移较小,能够满足规范的要求。表2.12材料用量统计

温室不采用拉索,而是采用钢-木刚性结构体系,展览温室上部结构采用钢-木组合网壳结构体系。本方案将方案一中的拉索和拉杆取消,将纵向(南北向)单层木梁替换为钢箱梁,双层加强处梁仍然为木梁,横向(东西向)梁全部为木连系梁。南北向木梁截面为300mm×300mm,上下层木梁间夹300mm 高横向木连系梁。钢箱梁和横向木连系梁截面宽度根据受力的需要进行调整。上部结构支承于下部钢筋混凝土结构顶部,北侧较高处支承于墙体顶部,南侧较低处支承于基础梁顶部,上部结构与下部混凝土结构之间通过铰接支座连接。具体布置如图2.5 所示。

在北侧,下部混凝土结构设有两道墙,外侧墙体用于挡室外填土,内侧挡墙用于支撑上部结构(图2.6)。为了减少室内景观造景填土对内墙的水平推力,要求室内景观完成面3m 以下景观找形采用轻质EPS 板填充,内外墙间距为4.6m,墙顶部通过300mm 厚混凝土板连接,并通过设置后浇带来减小施工阶段的相互影响,后浇带封闭后两者共同受力。上部结构支座水平力通过在基础平面设置拉梁来承担,而支座水平力在基础所产生弯矩由桩来承担。

图2.5 温室结构三维示意图

图2.6 北侧墙体构造图

1)结构计算模型

结构计算模型,如图2.7 所示。

由于横向木连系梁中心线与纵向木梁及加强梁的中心线不在一个标高面上,两者没有交点,因此模型计算时通过设置刚性杆把它们连接起来。刚性杆在上、下层木梁叠合处假定为铰接(只能传递剪力和轴力),刚性杆与上、下木梁及中部木梁连接点处假定为刚接,如图2.8 所示。

2)计算结果

(1)计算假定及计算程序

图2.7 结构计算模型(所有支座均为铰接)

采用Midas Gen(8.3.6 版)程序进行计算,该软件为大型通用有限元结构分析与设计软件,适用于空间结构的计算分析与设计。

图2.8 上、下杆件之间设置刚性杆及连接假定

建立三维结构力学模型,进行温室上部结构整体力学分析及截面设计验算。计算时,每个节点均有u、v、w、θx、θy、θz 六个位移分量,能够准确地反映三维框架单元的轴向、弯曲、扭转及剪切变形。

(2)静力计算结果

静力计算结果如表2.6、表2.7、图2.9~图2.12 所示。

从表2.6 可知,在静力荷载作用下,结构最大竖向位移为-24.1mm,挠跨比为1/2 830,远小于规范1/250 的限值要求。

表2.6 结构最大竖向位移 单位:mm

表2.7 结构最大支座反力 单位:kN

图2.9 D+L 作用下结构的竖向位移

图2.10 最不利组合工况下结构X 向反力

图2.11 最不利组合工况下结构Y 向反力

图2.12 最不利组合工况下结构Z 向反力

(3)自振特性

结构前12 阶自振周期质量参与系数见表2.8。

表2.8 结构前12 阶振型特征 单位:%

结构前3 阶振型如图2.13~图2.15 所示。

(www.chuimin.cn)

图2.13 结构第1 阶振型

图2.14 结构第2 阶振型

图2.15 结构第3 阶振型

(4)整体稳定性能

取恒载+活载标准值组合这一荷载分布模式进行线性屈曲分析,结构前6 阶屈曲荷载因子及屈曲模态见表2.9、图2.16。

考虑结构初始几何缺陷(初始几何缺陷分布采用结构第1 阶屈曲模态,其缺陷最大计算值按网壳跨度的1/300 取值,为87 253/300=291mm),取恒载+活载标准组合进行非线性屈曲分析,其荷载-位移曲线如图2.17 所示。

从图2.18 可以看出,最小安全系数为4.3,满足规范4.2 的限值要求。规范规定网壳稳定容许承载力(荷载取标准值)应等于网壳稳定极限承载力除以安全系数。

表2.9 结构前6 阶屈曲荷载因子

(5)抗震性能

结构在地震荷载作用下的位移见表2.10。

从表2.10 可以看出,结构在地震作用下的位移较小,能够满足规范的要求。

结构在地震作用下的基底反力见表2.11。

图2.16 结构第1 阶屈曲模态

图2.17 非线性屈曲荷载-位移曲线

图2.18 钢构件应力分布图(最大应力比为0.657)

表2.10 地震作用下结构的位移 单位:mm

表2.11 地震作用下结构基底反力 单位:kN

(6)杆件应力分析

常规荷载作用下钢构件杆件应力比分布图及木构件应力分布图如图2.18、图2.19 所示(根据空间网格结构技术规程规定,网壳构件面内计算长度系数取1.0,面外取1.6)。

图2.19 木构件应力分布图[最小应力(压应力)为-33.5MPa,最大应力(拉应力)为23.4MPa]

对于地震作用,需进一步分析中震下结构受力特点,对软件进行中震参数设置进行计算,计算中震作用下结构杆件的受力情况。中震作用下钢构件杆件应力比分布图及木构件应力分布图如图2.20、图2.21 所示。

图2.20 钢构件应力比分布图(最大应力比为0.833)

图2.21 木构件应力分布图[最小应力(压应力)为-40.8MPa,最大应力(拉应力)为42.4MPa]

从以上分析可知,在常规荷载作用和中震作用下,钢构件应力比较小,均满足规范要求;而小部分木构件应力较大,超过了目前阶段设计所初选木材的强度设计值,后续将根据最终所选用木材进行校核,对不满足强度要求的木构件用钢构件替换。由以上计算可知,钢-木组合结构体系成立,材料用量统计见表2.12。

表2.12 材料用量统计