超大跨度城市穹頂結(jié)構(gòu)選型的概念設(shè)計建議(2)

1、超大跨度城市穹頂結(jié)構(gòu)選型的概念設(shè)計建議(2)對上述 4 種雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的性能分析結(jié)果見表 17.可以發(fā)現(xiàn)雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剛度好，用鋼量尚可接受，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)方案比選的控制指標。結(jié)構(gòu)彈性與彈塑性荷載-位移全過程分析，采用一致缺陷模態(tài)法引入初始幾何缺陷8,即將理想結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程分析屈曲臨界點前、后兩個鄰近狀態(tài)的變形差值，作為引入初始幾何缺陷的位移增量模式，分析結(jié)果詳見文獻7.根據(jù)雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能分析可得： 1） 交叉桁架方案由于結(jié)構(gòu)局部受力為平面作用，結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定性能較差； 2） 球面方案結(jié)構(gòu)整體與局部均具有良好的空間作用，結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定性能相對較優(yōu)，同時結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性能良好； 3） 由于懸

2、鏈面方案是更為理想圖 5 雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)示意Fig. 5 Double-layer reticulated shell schematics的受壓結(jié)構(gòu)形式，同時對初始幾何缺陷較為敏感，懸鏈面方案的結(jié)構(gòu)剛度與彈性穩(wěn)定承載力相對較優(yōu)，但結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定系數(shù)下降明顯，用鋼量略有提高；4） 短程線型方案結(jié)構(gòu)剛度相對較低，這是由于短程線型方案環(huán)向網(wǎng)格角點處有明顯的彎折，且支座高度不同，環(huán)箍作用相對較弱。此外，考察結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能，雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定承載力系數(shù)均較高，遠大于 JGJ 7-2010 彈性穩(wěn)定承載力系數(shù) 4. 2 的限值要求，而結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定承載力系數(shù)均較低，因此彈塑性穩(wěn)定性能對超大跨度雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計起控制作用，選擇彈塑性穩(wěn)定承載力系數(shù)作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能評價指標更為合理?？疾旖Y(jié)構(gòu)支反力情況，上述4 種雙層網(wǎng)殼方案支座反力接近，豎向與徑向支反力數(shù)值巨大，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一大難點，其中，短程線型方案由于支座數(shù)量少、邊界條件差，支座反力相對更大。綜合考慮上述各項性能指標認為，K 型角錐球面網(wǎng)殼可作為優(yōu)選方案。圖 6a 為由 K 型角錐球面網(wǎng)殼構(gòu)建的跨度 800 m穹頂結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件分布非常密集，通透性差。為改善上述問題，網(wǎng)殼厚度調(diào)整為 15 m,徑向分割數(shù)調(diào)整為20,將其稱為大網(wǎng)格網(wǎng)殼方案（ 圖 6b） ,其結(jié)構(gòu)性能見表 1,豎向荷載作用結(jié)構(gòu)剛度變化較小，考慮初始幾何缺陷，結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定承載力約增加

4、114%,結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定承載力約增加 18%,但用鋼量亦增加約46% ,支座數(shù)量減少一半，支反力水平明顯增大，豎向支反力增加 145%,徑向支反力增加 147%.2. 2. 2 巨型網(wǎng)格巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是由少量的巨型構(gòu)件組成巨大尺度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為主要受力體系，其間輔以子結(jié)構(gòu)將荷載傳遞至主結(jié)構(gòu)，形成傳力明確、主次分明、建筑效果好的空間結(jié)構(gòu)形式。巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是適用于超大跨度的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式之一9.研究選取常用的肋環(huán)型（ 圖 7a） 、K 型（ 圖 7b） 以及井字加強肋環(huán)型（ 圖7c） 巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行方案比較，考察其主要的結(jié)構(gòu)性能指標。肋環(huán)型與 K 型方案三角桁架的截面高、寬均取為 20 m,采用上、下

5、弦固定鉸支座支承，肋環(huán)型方案最大網(wǎng)格尺寸達 120 m,K 型方案最大網(wǎng)格尺寸達 100 m.井字加強肋環(huán)型方案主結(jié)構(gòu)桁架的截面高、寬均取為 20 m,起加強作用的井字桁架截面高、寬均取為 10 m,采用上、下弦固定鉸支座支承。按照2. 1 節(jié)結(jié)構(gòu)選型條件選取荷載，采用傳統(tǒng)有限元法與向量有限元法7分析巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的承載力、振動特性、剛度、穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)性能，表 2 為 3 種巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)性能的分析結(jié)果，分析表 2 數(shù)據(jù)可知：1） 豎向荷載作用下 3 種巨型網(wǎng)格方案結(jié)構(gòu)靜力剛度基本相同，撓度值能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范對結(jié)構(gòu)剛度要求。2） 振動模態(tài)分析結(jié)果（ 圖 8,其中 Uz為 z 向位移） 表明，K 型

6、方案動力性能相對較優(yōu)。肋環(huán)型方案第 1 階自振頻率僅 0. 19 Hz,且第 1 階振動模態(tài)有明顯扭轉(zhuǎn)，在下部增加井字加強桁架后，第 1 階自振頻率提高到 0. 23 Hz,提高約 21. 0%,且扭轉(zhuǎn)振型得到改善。K 型方案第 1 階自振頻率為 0. 42 Hz,比肋環(huán)型方案提高約 121. 0%,且第 1 階振型呈反對稱分布，這是由于肋環(huán)型方案主結(jié)構(gòu)呈四邊形分布，結(jié)構(gòu)剛度較弱，易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動，下部增加井字形桁架可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度。K 型方案主結(jié)構(gòu)網(wǎng)格呈三角形，結(jié)構(gòu)剛度較好。3） 結(jié)構(gòu)彈性屈曲特征值分析表明，幾種方案首先發(fā)生屈曲的區(qū)域均在外圈靠近支座的部位。原因是由于該部位桁架穩(wěn)

7、定承載力值高。滿跨均布荷載作用下，3 種結(jié)構(gòu)方案的彈塑性穩(wěn)定性能基本相同，考慮半跨活荷載分布，肋環(huán)型方案彈塑性穩(wěn)定承載力系數(shù)較全跨均布荷載下降約 28. 6%,K 型方案維持不變，井字加強肋環(huán)型型方案下降約 19. 0%.可見肋環(huán)型方案與井字加強肋環(huán)型方案對半跨活荷載分布較敏感，兩者應(yīng)以半跨活荷載作用的結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定系數(shù)作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能評價指標，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能分析表明 K 型方案穩(wěn)定性相對較優(yōu)。4） 對于支座反力，肋環(huán)型方案的支座數(shù)量最少，K 型方案次之，井字加強肋環(huán)型方案支座數(shù)最多。與此對應(yīng)，肋環(huán)型方案的支座反力最大，K 型方案次之，井字加強肋環(huán)型方案的最小，但 3 種方案支座反力水平均較高。

8、5） 對于結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，這 3 種方案較接近，肋環(huán)型方案與井字加強肋環(huán)型方案的相同，K 型方案的用鋼量較以上兩者增加約 7%.綜合對比結(jié)構(gòu)性能指標，K 型方案相對較優(yōu)。綜合比較上述 4 種雙層網(wǎng)殼和 3 種巨型網(wǎng)格共7 種剛性結(jié)構(gòu)方案，K 型角錐球面網(wǎng)殼方案與 K 型巨型網(wǎng)格方案結(jié)構(gòu)性能相對較好。其中前者受力性能與經(jīng)濟性能均較好，但構(gòu)件密集，方案通透性差； 后者的力學(xué)性能與經(jīng)濟性能不如前者，且支座反力巨大，但采用巨型網(wǎng)格劃分，建筑方案的通透性好。2. 3 雜交結(jié)構(gòu)方案雜交結(jié)構(gòu)通常由剛性構(gòu)件與柔性構(gòu)件組合而成的，具有可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢、受力合理、高效的特點，是大跨空間結(jié)構(gòu)常用的形式10.2. 3

9、. 1 索承結(jié)構(gòu)索承結(jié)構(gòu)由上部剛性單層網(wǎng)殼與下部索桿體系組成，通過引入下部索桿體系可增強結(jié)構(gòu)整體剛度，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力，減少支座水平推力。索承單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)11-12方案的上部采用 K6 型單層網(wǎng)殼，網(wǎng)格徑向分割數(shù)取 40,下部間隔一環(huán)布置一組環(huán)索，共計 19 環(huán)，圖 9 為結(jié)構(gòu)主肋位置剖面?？紤]索桿體系傳力效率，豎向撐桿與徑向索夾角保持 60°，豎向撐桿高度由 13. 9 m 逐漸過渡到 26. 5 m,采用固定鉸支座支承，方案設(shè)計根據(jù)張力補償法進行了找力分析。索承巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)13（ 圖 10a） 是由上部巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與下部索桿體系組成，可提高穹頂通透性。上部剛性結(jié)構(gòu)采用 K6 型巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，徑向分割數(shù)量為 8,立體三角桁架巨型構(gòu)件截面高度為 12 m,寬度為 10 m.下部每一環(huán)設(shè)置一組環(huán)索，共計 7 組環(huán)索，相鄰環(huán)索之間水平距離約為 59 m,結(jié)構(gòu)中心處增設(shè)一組撐桿和斜索以提高中心區(qū)域剛度?？紤]索桿體系傳力效率，豎向撐桿與徑向索夾角取 60°，由內(nèi)到外撐桿高度由 36. 7 m 逐漸變到 65. 8 m（ 圖 10b） .2. 3. 2 索桿加強網(wǎng)格結(jié)構(gòu)索桿加強網(wǎng)格結(jié)構(gòu)14主要用于大跨度玻璃采光頂結(jié)構(gòu)中，具有良好的通透性，是一種新型的空間結(jié)構(gòu)形式。其基本單元見圖 11a,可用纖細拉索代替粗大的剛性構(gòu)件，在改善結(jié)構(gòu)通透性同時，對立體桁架