摘要：近年来，大跨度空间结构的形式丰富多样，技术水平也在不断提高。同时大跨度建筑投资大、影响因素多，需要对其进行优化，以获得最佳结构方案节省投资、提高效率。
关键词：高级工程师职称论文发表,大跨度空间结构,网架,结构优化
一、项目综述：
混匀料场是炼钢厂中的一种大型库房，一般要求结构跨度大、净空高，满足存储和作业空间。通过优化设计，采取合理的构造措施，使该混匀料场结构的技术经济指标达到一个理想的状态。该混匀料场轴线长445m，宽65m，建筑物两端开敞，拱形屋面，沿纵向支撑于混凝土基础。跨中净高约20.5m，轴线建筑面积28925m2。为了降低温度应力，结构拟分为二个独立的部分，(图纸中以分区一，分区二描述)每区间长度为221.25米(29x7.5m=217.5+3.75=221.25m)。结构之间设置温度缝，温度缝宽度为2.5m。平立面如图1所示。
图一 结构分区布置图
二、结构形式的确定及优化
2.1 结构形式确定
大跨度空间结构，较为常见的有空间桁架以及网架;桁架体系存在构件运输困难，现场安装时焊接作业量较大，安装时间较长，不适宜本案;而网架结构是由大量杆件以特定的连接形式组合而成的网格状高次超静定结构，网架结构以其白重轻、整体刚度大、抗震能力强、经济适用、施 便捷、造型美观等优点得到了大量的应用。因此，最终决定使用网架结构。
理论上及多年工程经验显示，在此类柱面网壳的结构中，应尽量减小结构的弯矩，增加结构沿拱型曲线内部的轴力能够获得很好的经济效益，因此，进一步确定采用螺栓球三心拱网架结构并对其进行优化。特别是在混匀料场中设备运行要求较高环境下，三心圆网架结构形式由于其布置灵活性更能体现其优势。
接下来，进一步分析该网架结构中，各杆件组成锥体的基本形式。网架结构中使用的网格形式通常有正放四角锥形式，正放斜置四角锥形式，以及桁架式等。桁架式网架结构的空间受力性能不佳，侧向稳定性差;而正放斜置四角锥形式传力不直接，在两边开口处杆件内力集中;正放四角锥形式通过跨向的弦杆将力直接传递到附近的支座，传力路径直接明确。因此，本工程采用正交正放四角锥网架形式，下弦支撑。
经试算多种分格方案并结合《空间网格结构技术规程》(JGJ 7-2010)中相关构造内容确定本案较为理想的支座间距为7.5m，纵向分格为3.75米/格。如图二所示：
图二 网架结构轴测图
同时，对结构的几何参数进行优化，有研究表明，在满足内部设备运行的情况下，结构越贴近设备边界时，展开面积越小，经济效益越好。经多次试算后确定，将跨度方向分成3段圆弧，其中，小圆半径约为17.75米，分成4个网格，大圆半径约为50.33米，分为16个网格;共网格数为24个，每段长约4米，如图三所示：
图三 网架结构剖面图
2.2 网架支座处构造优化
在设计中支座沿纵向间隔布置，并将上弦纵向边界的非支座节点及相连杆件去除，如图三所示：
图四 支座构造
如此构造处理产生效果主要有以下二点：
(1)被抽空的节点处受力很小，相连杆件内力主要来自温度应力，数值很小，抽空这些杆件后对网壳受力性能的影响可以忽略不计。料场在使用过程中不正确的堆料有可能造成对这些节点和杆件的挤压，会产生不必要的附加内力，对网壳受力性能产生负面影响所以这些节点和杆件应去掉为好。
(2)结构料场的使用功能可以在抽空节点和杆件处自由设置运输的通道。
三. 设计荷载
3.1. 荷载取值
a.屋面恒载 0.25kN/�O按展开面积
b.屋面活载 0.5kN/�O按投影面积
c.风载 基本风压： 0.4kN/�O 高度系数： 按B类计算
d. 温度作用 升温20度，降温45度(按结构合拢时温度为20～25度计算)
f. 地震作用 7.0度 0.15g
3.2 风荷载体型系数的分布
该煤棚结构体型较大，风荷载是结构的主要荷载。目前开口的三心圆柱壳的风载体型系数无现成规范可依，所以正式施工前宜进行风洞试验以确定体型系数。
以往的网格结构设计中，常常采用 90°和 30°的水平风荷载下的体型系数作为设计的依据。但通过已建成相似结构的风洞试验的数据分析，表明在不同的水平风向角作用下结构的受力情况有较大的差异，结构反弯点的位置有较大的不同。而且，在有向下倾角风荷载作用下，与水平风荷载相比，结构受力往往更加不利。与以上两个参数相比，有无堆料对结构的影响不大。为了更加真实反映结构在风荷载作用下的实际受力情况，有必要对建筑风场进行数值模拟。部分结果如下：
3.2.1风压分布规律
图五 封闭式落地拱屋盖表面的风压分布
图六 开敞式拱形钢结构上表面的风压分布
图七 开敞式拱形钢结构表面的风速矢量
对开敞式拱形波纹钢屋盖模型的数值模拟研究发现，在横向风向作用下，其风压分布具有相同的规律。
图5为开敞式拱形波纹钢屋盖在横向风作用下上表面的风压分布，图4为封闭式落地拱屋盖表面的风压分布。由两图比较可知，它们的风压分布规律基本一致：在迎风面为正压，顶部及绝大部分背风面为负压，在背风面边缘跨中处出现了局部正压，这和屋盖的矢跨比有关。当矢跨比大于0.2时，尾流在背风面出现再附着，边缘局部才表现为正压。从风压等值线可以看出，在屋盖的边缘处风压绝对值都很大，即表现出很强的边缘效应，这也是历次风灾害事故的起因(有文献)。开敞式拱形波纹钢屋盖因四周开敞，来流在内部形成一个很大的漩涡，如图6所示，与外表面分压分布所不同的是，在两端边缘由于旋涡脱落出现两个负压区，对屋盖造成比较大的随机吸力，局部性比较强而且峰值也很大。已有的灾情调查、试验和理论研究，均表明了建筑物部分敞开或突然开孔时，建筑内部的风致压力对屋面结构的安全有不可忽视的影响。这也正是此类屋盖端边缘首先破坏继而引发整体破坏的原因。 3.3 体型系数取值
图八 开敞式单跨拱形屋面体型系数
最终取值：最大正风压1.2(迎风面落地面方向)，最大负风压-1.3(屋脊处)。
四.主要计算结果
最大杆件设计应力比： 0.90
最大X向位移 10.6mm (沿长度方向)
最大Y向位移 67.5mm (跨度方向)
最大Z向位移 -75.7mm (竖向)
图十一～十四分别为结构在主要组合工况下的变形图：(均放大50倍)
图
十一 自重+恒载 图十二 自重+恒载+活载
图十三 左风 图十二 右风
由计算得知：由于结构两边支承两边开口，所以呈现单向受力状态。网壳跨向杆件内力较大，而纵向杆件内力较小。在不同风向角的风荷载作用下，结构的内力分布和位移有很大的差异，杆件在某些工况下受拉，在另外的工况下受压，每种工况都控制一批杆件的最大内力。所以，在施加风荷载时应多方向角对结构进行加载。
五.设计中其他重点关注的问题
(1)高强螺栓是按照轴心受拉构件设计的，但是在支座附近会产生较大的附加弯矩和附加内力，螺栓在受拉的同时，还可能承受比较可观的弯矩和剪力。为了保证结构足够的安全度，设计时将支座向上三排网格的腹杆和跨向弦杆应力控制在比较低的水平，同时应调高与这些杆件相连高强螺栓的强度等级。
(2)网架规程中规定压杆容许长细比为 180，一般拉杆容许长细比为 400，支座附近处为300。结合本案实际情况，考虑到多种荷载工况下，结构受力复杂，反弯点的位置不确定的特点，杆件会出现拉压变化，设计时采用的容许长细比为压杆 180，拉杆 180
另外：风荷载是本工程中的主要荷载。由于风向角、风力及堆煤情况的变化，风荷载具有随机不确定的特点，导致结构受力情况复杂。在没有可靠工程参照经验的情况下，进行风洞实验确定体型系数是非常必要的。
结束语：大跨度、大空间结构中得到了越来越广泛的应用。通过对结构荷载工况进行细致的分析可以使建筑物受力更贴近实际情况从而获得更高的安全性;对结构几何构造进行优化可以在保证结构安全的情况下获得更好的经济效益。
参 考 文 献
参考文献：
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[3]空间网格结构技术规程 JGJ 7-2010
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