張 飛 （安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程概況

本工程為煤化工基地展示中心，地上1層，建筑平面尺寸48.2m×45.3m，最大高度為18.167m，空間體型異形。因建筑功能需求，展示中心內(nèi)部局部設(shè)置會議室及辦公室等功能，地上2層，地下1層。展示中心采用空間桁架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用房采用鋼框架結(jié)構(gòu)，兩者設(shè)抗震縫脫開，按兩個獨立結(jié)構(gòu)單元設(shè)計?；A(chǔ)及地下室部分按整體模型進行設(shè)計。本工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，多遇地震下水平影響系數(shù)最大值為0.04。設(shè)計地震分組為第三組，場地類別II類，特征周期為0.45s[1]。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50211-2010）[1]第8.1.3條，本工程空間桁架抗震等級為四級。

圖1 建筑東南軸測圖

圖1為展示中心建筑整體三維圖，建筑取意鉆石，與展示產(chǎn)品相呼應(yīng)，通過形體的切割，力圖讓建筑更加富有雕塑感和立體感。建筑要求內(nèi)部無柱，外立面簡潔通透，經(jīng)與建筑協(xié)商后，結(jié)構(gòu)方案選用空間桁架體系。

2 網(wǎng)格模型劃分

由于本工程建筑體型異形，常規(guī)設(shè)計軟件無法直接生成結(jié)構(gòu)模型，因此本工程一個難點在于空間模型的建立。本工程建筑形體雖異形，但是為若干空間平面組成，非空間曲面，可先通過計算機輔助設(shè)計三維CAD軟件進行網(wǎng)格劃分，再將劃分后的CAD網(wǎng)格模型導入設(shè)計軟件，賦予桿件屬性再進行計算。

本工程橫向與縱向平面尺寸較為接近，故采用雙向正交桁架體系。因縱向尺寸相對較小，縱向桁架為主桁架，沿橫向共計4榀，桁架間距為12m。橫向桁架為次桁架，沿縱向共計3榀，桁架間距12m。主、次桁架節(jié)間距離為3m，桁架高度2.5m。為增強結(jié)構(gòu)整體剛度，在屋蓋頂部四周設(shè)置邊桁架。

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型建立步驟如下：①根據(jù)建筑提供的外輪廓條件建立實體單元模型；②在桁架弦桿所在位置采用豎直空間面切割實體單體單元，提取實體單元邊線得到弦桿網(wǎng)格；③連接上、下弦桿節(jié)間節(jié)點形成斜腹桿網(wǎng)格；④相同方法，切割實體單體單元得到屋面及墻面次梁網(wǎng)格，依次按上述步驟可完成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型建立。圖2和圖3分別為CAD網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)桁架平面布置圖與主桁架1西南軸測圖。

3 計算模型與荷載取值

3.1 計算模型

本工程有限元軟件MIDAS/GEN進行設(shè)計，鋼材材質(zhì)采用Q345B，桿件截面均采用各向等強度的圓管，桿件采用梁單元進行模擬。桁架上弦、下弦桿截面為 φ325x12，斜腹桿主要截面為φ140x4.5，次梁截面為φ273x10，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB50017-2017）[2]第5.1.5條，除能保持貫通的弦桿外，斜腹桿端部定義為鉸接節(jié)點。

3.2 荷載取值

①恒載：屋面及墻面建筑材質(zhì)為玻璃或者金屬面層，屋面及墻面恒載取值1.5kN/m2。

圖2 桁架平面布置圖

圖3 主桁架1西南軸測圖

②活荷載：不上人屋面，活荷載為0.5kN/m2。

③風荷載：因建筑體型異形，荷載規(guī)范無此類建筑風荷載體型系數(shù)規(guī)定，故本工程進行了風洞試驗，風荷載取值按本工程風致響應(yīng)分析報告取值。

④雪荷載：按該地區(qū)100基本雪壓取值，0.45kN/m2。

⑤溫度作用：升溫及降溫工況分別取正負25℃。

⑥地震作用：抗震設(shè)防烈度為6度，水平影響系數(shù)最大值為0.04，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別II類，特征周期為0.45s。結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02。

荷載組合按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]、《建筑結(jié)構(gòu)可靠性統(tǒng)一標準》[4]等規(guī)范要求進行組合。

4 受力性能分析

4.1 自振特性分析

結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)不僅與動荷載激勵的性質(zhì)有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)本身的動力特性密切相關(guān)，即結(jié)構(gòu)的振動頻率和振型。表1為結(jié)構(gòu)前六階自振頻率及周期分布情況。

前三階振型如圖4所示。

圖4 前3階振型圖

由圖4可知，第一振型表現(xiàn)為X向整體水平振動；第二階振型為Y向整體水平振動；第三階振型呈現(xiàn)墻面次梁局部振動。

根據(jù)上述分析可得，本工程結(jié)構(gòu)體系采用雙向正交桁架加屋蓋四周邊桁架，結(jié)構(gòu)整體豎向剛度和抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)前六階振型中未出現(xiàn)屋蓋豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動。

4.2 靜力分析

前六階自振頻率及周期 表1

“強度應(yīng)力比”統(tǒng)計結(jié)果表 表2

標準組合（1.0恒+1.0活）下，結(jié)構(gòu)最大豎向位移為70.2mm，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]表3.5.1對立體桁架結(jié)構(gòu)撓度容許值1/250的要求。

根據(jù)計算分析模型，進行規(guī)范檢驗，檢驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計算要求，應(yīng)力比最大值為0.85，表2為構(gòu)件“強度應(yīng)力比”統(tǒng)計結(jié)果表。

4.3 穩(wěn)定性分析

線性屈曲分析第一階線性屈曲模態(tài)荷載因子為42.4，屈曲形態(tài)為位于主桁架2立柱側(cè)向失穩(wěn)。考慮初始缺陷后，更新模型，進行結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定分析，在1.0D+1.L(恒+活)工況下，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為17.0，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]4.3.4條最小值4.2的要求。

5 結(jié)論

本文以某展示中心實際工程為例，對異形空間桁架結(jié)構(gòu)的建模、計算和分析進行完整介紹和分析，結(jié)構(gòu)各項計算指標均滿足規(guī)范要求，可對類似工程設(shè)計提供參考。