大跨度网架与下部支承结构协同作用分析
【摘要】随着我国社会主义现代化建设的发展，建筑施工新工艺、新材料、新技术的不断研发，对建筑的空间使用需求越来越高，关于大跨度网架的应用越来越广泛，已逐渐发展为衡量一个国家或地区建筑科学发展水平的重要指标。而由于结构体系的多样性和空间使用需求的提高，独立的简化模型与边界条件已经不足以满足设计需求，需要结合大型空间结构设计软件进行整体协同分析才能更真实反映出结构实际受力特点。基于此，本文主要分析了大跨度网架与下部支承结构在地震作用下的协同工作。
【关键词】大跨度网架；下部支承结构；协同作用
1、模型的简化与有限元模型的建立
本文以3x36m大跨度，4x18m大柱距矩形平面组成的某厂房为分析对象（如图1）。其中，该厂房网架结构的计算模型设定为空间铰接杆系结构。结构所采用材料为线弹性、各向同性，并且其遵循静力等效原则，将结构的外荷载集中作用于网架节点上。
图1：某厂房网架结构简图
本文通过ANSYS有限元程序作出静力与反应谱分析。其中，网架杆件与下部柱分别为空间杆单元、空间梁柱单元，建立了以下两种有限元模型。
模型一：柱头与网架通过铰接形式实现连接，而柱底为固定约束，为整体计算模型。
模型二：对上部网架结构与下部支承结构进行分别计算，在进行网架计算时，不计入柱的弹簧刚度，计算以与柱相接处固定铰支承为主。在进行下部支承结构计算时，横梁刚度纳入折算刚度与无穷大两种情况。
2、吊车荷载参与组合下的比较分析
2.1 网架挠度
经计算结果得出，模型一与模型二的挠度变化规律无明显区别。从整体上看，模型一相比于模型二，在网架跨度中挠度要高出10%～20%，其形成原因主要源自下部框架柱的弹性变形（见图2）。
图2：剖面下弦节点挠度曲线
2.2 网架杆件的内力
在AB、CD跨的上弦杆件内力方面，模型一计算与模型二相比，要低于5%左右，其上弦杆件主要承受压力。在AB、CD跨的下弦杆件内力方面，模型一的计算结果相比于模型二，大约高出15%，其杆件主要受拉，并且在边柱支承部分，出现个别下弦杆件的轴力变化状况，表明模型二计算方式会形成网架部分下弦杆件的安全隐患。而在斜腹杆、BC跨的上、下弦杆方面，其杆件内力在两种模型计算中无明显差别。
2.3 框架柱的侧移
在框架柱方面，通过平面排架（EI= ）、平面排架（ ）与空间整体体系三种方案进行计算比较。其中，以 为框架横梁的折算惯性矩近似计算公式，y1、y2为网架在跨中处的上、下弦杆重心线分别至中和轴的距离， 为下部结构计算简图范围内的网架上弦杆； 则为其网架下弦杆。经计算结果得出，在框架柱水平位移方面，相比于平面计算模型，空间计算模型的相应位移要更低一些。究其原因，主要为网架与下部柱空间的整体协同作用，形成的荷载分担结果。而通过平面排架计算时，仅计算相应的柱列承受吊车水平荷载，致使其形成的侧移结果变大。
3、地震作用下的比较分析
3.1 地震信息
该网架厂区建于7度地区，为Ⅲ类场地土，重力荷载代表值为结构50%活载与恒载组合，各振型阻尼比是0.02。在其地震作用分析中，采用反应谱法，并按照相关规定进行网架的竖向地震作用分析以及框架柱的水平地震作用分析。
3.2 网架在竖向地震作用下的挠度
通过对两种模型的计算分析得出，在竖向地震作用下，受框架柱的变形影响，模型二的挠度要低于模型二15%左右，与上文分析中，吊车荷载组合作用下的结果一致（见图3）。
图3：剖面下弦点在竖向地震作用下的挠度曲线
3.3 网架下弦杆在竖向地震作用下的内力
在竖向地震作用下，模型一与模型二计算得出的网架上弦杆与斜腹杆在内力上，并没有出现较明显的变化。但在下弦杆方面产生影响较大，模型一与模型二相比，要高出10%左右（见图4）。
图4：剖面下弦杆的内力曲线
因此，在其分析中，必须考虑吊车荷载经通过柱对网架形成的作用，否则会形成模型二计算的网架下弦杆件的安全性不足。
3.4 框架柱在水平地震作用下的位移
通过三种不同方案的计算得出，在水平地震作用下，框架柱的水平位移，以空间整体作用计算的结果与平面计算结果并无较大区别。由分析得出，形成此结果的主要原因为地震作用在厂房中的均匀分布造成。
3.5 框架柱在水平地震作用下的弯矩
由三种不同计算方案得出，在水平地震作用下，相比于平面排架计算，通过整体计算的柱子弯矩要低出20%左右，其虽然在幅度上小于吊车荷载组合，但仍能为柱子设计带来较大的经济效益。
4、分析结果
在大跨度网架厂房设计中，通过整体模型计算在很大程度上降低柱子的弯矩与侧移，有利于柱子设计，形成较大的经济效益。而平面排架模型计算方式，由于未将空间工作纳入计算中，使柱子设计截面扩大，进而增加了下部支承结构的用钢量，成本花费较高。同时，避免了由于隔离体系分析造成的网架下弦杆可能受压失稳的不利情况。在大跨度网架厂房设计中，为了使网架与柱联结处杆件的应力峰值降低，可以在网架支承处沿边界相应位置设置上弦、下弦交叉水平支撑。
参考文献
[1] 宋林. 浅析多层大跨超长混合建筑结构设计[J]. 安徽建筑. 2014（04）
[2] 薛素铎，刘毅. 大跨空间结构协同工作问题研究现状及展望[J]. 工业建筑. 2015（01）