基于3D3S大通县某煤棚网架结构设计验算

陈国军 毛少霞 张雪云

（甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730020）

随着社会的不断发展变革，人们对于建筑设计施工的追求要求更加完美，希望施工方便快捷，建筑结构美观、空间大、节能环保可持续等。为此，空间网格结构应运而生，空间网格结构几乎满足了人们对大跨度、施工快捷方便、效率高等一系列要求。网架结构实际工程应用越来越广泛，例如会堂、影剧院、展览馆、车站、码头、候机大厅等公共建筑[1-2]。相关学者[3-6]对于网架结构的研究已然成为热点。对于网架结构的设计计算，普遍采用的方法为有限元数值计算法，如ANSYS、MST、3D3S等[7-10]。通过对建筑物空间网架结构进行有限元建模，对所构建的网架结构有限元模型支承性能进行分析[11-13]，验算结构受力的合理性，优化结构杆件截面，选择最优用钢量。

1 工程概况

拟建煤棚场地位于青海省西宁市大通县朔北乡下吉哇村原705 厂内，交通便利，汽车可直达场地。拟建场地地貌单元属山前斜坡地带，场地开阔，地形起伏变化大，地势北高南低、西高东低。孔口地面高程2501.90m~2521.87m，相对高差为19.97m。建筑高度13.8m，建筑平面尺寸89.3m×53m，总建筑面积4543.9m2。总平面布置如图1所示。

图1 总平面布置图

根据《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB 55002-2021）及《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2010），拟建场地抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组属第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，设计特征周期值为0.45s，水平地震影响系数最大值0.08。

根据场地踏勘、场地勘探及周边建筑经验，场地地基土主要由第四系：①1层杂填土（Q4ml）、①2层素填土（Q4ml）、②层黄土状土（Q4dl+pl）、③层卵石（Q4dl+pl）、④层饱和黄土（Q4dl+pl）、⑤层淤泥质土（Q4dl+pl）、⑥层卵石（Q4al+pl）、⑦层粉土（饱和）（Q4al+pl）、⑧第三系层强风化砂砾岩和⑨层中风化砂砾岩组成，其岩性特征描述如表1所示。

表1 土层名称及特征

2 3D3S计算分析

3D3S软件在钢结构和空间结构设计领域具有独创性，填补了国内该类结构工具软件的一个空白，是基于杆系和膜板壳单元的三维结构有限元分析软件。3D3S的杆系单元包括杆单元、梁柱单元和索单元。3D3S 将楼板、剪力墙和膜等简化为三维面单元，包括三角形壳元、四边形壳元和三角形膜元。

空间网格结构是空间结构的一种，也是我国空间结构中发展最快、应用最广的结构形式。它是将杆件按一定规律布置，通过节点连接而成的一种空间杆系结构，包括组合网格结构（含组合网架和组合网壳结构）、立体桁架（拱架）、张弦立体拱架等形式。网架为按一定规律布置的杆件通过节点连接而形成的平板型或微曲面型空间杆系结构，主要承受整体弯曲内力，网架结构如图2所示。

图2 网架结构图示

2.1 网架结构建模

应用3D3S 2020进行该煤棚网架结构建模，选用网架网壳模块里面的网架网壳进行建筑结构建模。网格形式采用四边网格技术，根据煤棚尺寸建立网架模型，如图3所示。支座形式选用弹性约束，根据悬臂柱刚度导入。按照屋面排水要求，采用双面排水方式，起坡5.0%。荷载施加，上弦恒载0.6、活载0.5、风载0.4、下弦活载0.3 进行荷载组合，荷载分配至节点如图4 所示。本模型共生成节点总数595个，单元总数2240个，最大杆长（单元1675）5.223m，最小杆长（单元861）3.750m，杆件材性Q355B，总用钢量101138kg。

图3 煤棚网架结构建模

图4 荷载分配节点图

2.2 计算结果及分析

2.2.1 振型分析

地震力计算方法采用振型分解法，其前9阶振型变化如表2所示。其中，一、二、九振型如图5所示。结构振型大致可以分为水平振型和竖向振型两大类，网架作为空间网格结构以竖向振型为主。从振型图可以看出，各振型频谱比较密集，且可能存在重根现象，周期与边界条件相关。上、下弦杆竖向地震内力分布规律为边缘小中间大，腹杆地震内力分布比较复杂。

表2 各振型周期结果

图5 典型振型图

2.2.2 轴力分析

根据计算得出，在不同荷载组合情况下单元996及998 轴力最大值为1076.6kN，单元447 与448 轴力最小值为-1032.3kN。网架结构主要以杆件受压为主，从图6可以看出，此网架轴力最大最小构件皆位于整个网架的中部位置，这与网架结构的跨度大小息息相关，当网架跨度过大时，中部位置受力较大，四周支撑约束减弱。因此，加强中部构件杆件的材性及截面大小对于提升整体网架稳定性具有重要意义。

图6 轴力构件显示图

2.2.3 位移分析

网架结构位移包括水平位移和竖向位移两类，本模型重点研究其竖向位移，即挠度。由最大正、负位移图（图7）可知，四周边缘支座因约束作用位移最小，几近于0mm，随着边缘向网架结构中心的变化，位移逐渐增大，至中部位置位移最大，为119.6mm 和136.9mm。位移越大，对结构安全性及稳定性越不利，因此，有必要限制整体位移的大小。

图7 网架位移图

2.2.4 应力分析

根据计算分析模型进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值为1.00。图8为模型总体应力比分布图，图9为杆件应力比分布图。由应力比分布图可知，各杆件应力分布均匀合理，即杆件受力符合设计要求。

图8 杆件应力分布图

图9 杆件应力比分布图

3 结语

应用钢结构网架网壳分析软件3D3S 对大通县某煤棚网架结构模型进行有限元数值计算分析，以本模型相关工程条件据此得出以下结论：

（1）在地震作用下，地震内力分布规律为边缘小跨中大，网架的前三阶周期为T1=0.5505s，T2=0.4978s，T3=0.4950s。

（2）在各种荷载组合情况下，网架结构最大位移为136.9mm，小于短跨的1/250，满足刚度设计要求。

（3）杆件截面形式采用圆管截面，选用Q355B类钢材满足强度、稳定性、抗剪、圆管径厚比等基本要求。

（4）在不同荷载组合情况下，轴力最大值为1076.6kN，中部位置轴力最大，四周轴力小。该网架结构用钢量为23.73kg/㎡。