大跨度短撑杆式张弦桁架与网壳组合结构形式研究

肖旺辉 （中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北 武汉 430064）

1 概 述

大跨度短撑杆式张弦桁架与双曲柱状网壳组合结构是一种新型的大跨度空间结构。将张弦桁架与网壳结合使用，通过设置张弦桁架将网壳的跨度由小到中小跨度范围为25m～40m，该大跨度新结构体系既降低了屋盖系统的用钢量，又解决了张弦桁架平面外的支撑问题，从而使屋盖系统由拟梁结构单纯的围护到集围护结构与承重结构一体，并可做到应用单层网壳、局部单双层网壳、双层网壳和弦支网壳等结构。

目前对该结构体系的研究较少，对该新结构体系的研究和设计而言，做相关的研究是有必要的。本文详细介绍该新结构体系的分类并采用有限元分析方法，为这种结构体系应用提供参考。

2 大跨度短撑杆式张弦桁架与单层双曲柱状网壳组合结构的静力分析

图1 短撑杆式张弦桁架与单层双曲柱状网壳组合结构立面图

2.1 计算模型

某建筑要求屋盖为120m×120m，短撑杆式张弦桁架跨度为L1=120m,桁架上弦宽度为4m，矢高为5m，垂度为3m，预应力钢索垂度为5m，共采用5榀短撑杆式张弦桁架。单层双曲柱状网壳采用单向斜杆正交正放网格，单层网壳跨度L=26m，矢高5.2m。

2.2 计算分析参数

单层网壳杆件和短撑杆式张弦边桁架杆件都采用MSTCAD进行满应力计算分析并配杆导入ANSYS10.0计算分析。钢材的弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，密度为7.85t/m3。预应力钢索采用1670级高强钢丝索，规格为PESC5-409，外包双层PE。拉索的弹性模量为2.0×105N/mm2，泊松比为0.3，密度7.8 t/m3。钢索的面积为0.01123m2，算例钢索初始预应力为4492kN，即初始应变为0.002。屋面恒荷载为0.4kN/m2，机电管线和吊顶0.1kN/m2；屋面活荷载为0.3 kN/m2。荷载工况组合：1.2恒＋1.4活+1.2自重+1.0预应力。

通过ANSYS10.0有限元软件分析可知：桁架跨中挠度最大为282mm，最大挠跨比1/425；网壳顶点（网壳顶点的竖向位移值是相对桁架的位移值，屋盖结构变形向下为正，向上为负）变形为36mm，最大挠跨比1/425；中间桁架滑动支座位移18m。都满足《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)和《空间网格结构技术规程》(JGJ7-2010)桁架最大挠度容许值为跨度的1/250的规定。结构体系安全储备大,桁架滑动支座的位移Y轴正向18mm，结构施工时支座应该注意预留空间，同时查看有无加荷载和上述工况下的张弦桁架杆件受力情况。整体结构在外荷载作用下，桁架上弦杆、腹杆、撑杆的轴压力明显增加；下弦杆由原来受压变为受拉，说明外荷载的改变会引起下弦杆件的受力变化；钢索的轴拉力变大是由于结构外荷载增，结构的竖向挠度变大引起被动预应力增加。网壳杆件的最大拉力和最大压力都增大，是由于外荷载较大引起的。

图2 荷载工况下的Z向挠度云图

3 结 论

本文提出的大跨度短撑杆式张弦桁架与双曲柱状网壳组合结构是一种新型的杂交大跨度空间结构体系，可做到应用单层网壳、局部单双层网壳、双层网壳和弦支网壳等结构。通过有限元分析，该新型杂交大跨度空间结构体系的安全储备大，受力合理，并降低了屋盖系统的用钢量。