单层自由曲面网格钢结构设计分析

单层自由曲面网格钢结构设计分析

陈永星

金刚幕墙集团有限公司，广东广州 510000

摘要：随着城市化进程不断推进，城市建筑物数量增加，人们对建筑造型要求随之提升。因此建筑设计师尝试运用单层自由曲面网格钢结构，以便自由创造建筑物造型。因此本文重点分析单层自由曲面结构中网格钢结构，探究其弹性与结构稳定性，同时分析网格钢结构建筑要求，以期推动我国建筑行业发展。

关键词：自由曲面；网格钢结构；设计

网壳结构具有受力均匀特性，能够完成大跨度的优美造型，可从建筑平面、外形及形体等多方面满足设计师创作自由[1]。近年来，我国参数建模技术不断成熟，设计师可结合自身能想象到的任一形状进行设计。目前世界各地均已报道建成自由曲面网壳结构建筑案例，因此复杂自由曲面建筑已发展为未来空间结构设计方向之一[2]。相较发达国家，我国对自由曲面网格结构研究较少，本文将喇叭花建筑为例，概述建筑结构设计方案，同时探究了建筑设计期间如何应用单层自由曲面网格钢结构，以指导后期同类型建筑。

一、单层自由曲面结构中网格钢探析设计

对各城市建筑设计进行调研可知，网壳结构为设计师自由创作建筑外形奠定了技术基础，且在现代科技辅助下，设计师能够呈现各种造型建筑物。目前我国对单层自由网格曲面结构中网格钢结构探究工作起步较晚，且尚未明确自由曲面网格性能数据[3]。因此本文基于喇叭花建筑开展研究，探究单层自由曲面网格结构中钢结构各项参数。

（一）概述喇叭花建筑案例内容

选入喇叭花建筑上花口为椭圆形，长轴长度60m、短轴长度50m，内部设有观光电梯，连接每层钢建走廊，此建筑选用单层网络结构，呈三角形，建筑物侧面开洞面积较大，连接每层设桁架。

（二）建筑模型

喇叭花建筑结构选取截面高宽比大的矩形截面杆件可保障建筑设计效果，模型内容如下：（1）假定模型：为明确建筑结构弹性，需将竖向构件落在标高为-5.900钢骨梁上，同时焊接钢龙骨，因此确定建筑结构底部支座为固接支座。建设过程不考虑玻璃刚度，将玻璃纳入荷载，并施加在结构中。计算喇叭花结构弹性期间，设置地震影响系数为0.08。（2）结构荷载：将恒载、温度、风荷载、地震等多因素作为计算喇叭花结构荷载基础，同时依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）确定荷载组合。恒载：运用MIDAS GEN计算结构龙骨恒载，另加玻璃幕墙（0.8kN/m2）。温度：温度20-30℃。风荷载：风荷载标准值及设计值取值参照风洞报告。地震：喇叭花结构模型抗震指标设成7度，运用振型分解谱法计算地震响。（3）模型设计：①结构动力特性如下：T1周期数值为1.15470、T2周期数值为0.94088、T3周期数值为0.88090、T4周期数值为0.70279、T5周期数值为0.69441。②位移结果如下：设计结构模型期间，需计算、探究悬挑端竖向位移情况，结合恒载作用影响下位移数据分析，建模竖向位移幅度、侧位移幅度小，而花口区域位移幅度大。整体分析喇叭花造型，可见一侧开洞面积大，两端悬挑距离不同，且在悬挑竖向正载影响下，易使结构倾覆，因此建筑结构呈前倾状态。此外，喇叭花建筑模型位移原因可能与悬挑端弯曲、变形有关，因此计算时需避免将上述部分位移作为计算切入点。结合转角位移情况分析，于喇叭花结构邻近区域增加杆件截面外径，减小壁厚，降低自重，同时结合位移情况，增加竖向位移转至悬挑转折区杆件截面。基于试算结果分析，此措施能够减缓悬挑端竖向位移、结构侧位移，进而在保障喇叭花建筑整体稳定性基础上，尽可能加大结构开洞及周边杆件截面。结合变形位移情况分析，变形位移可能与悬挑端存在联系，因此可提升喇叭花口处刚度，降低自重。基于试算结果分析，增加最上层环梁刚度，可约束建筑曲面周边，保障建筑结构稳定性，但不具备位移辅助作用。结合建筑花口杆件分析，杆件截面与悬挑面刚度联系密切，若杆件截面增大，可增加悬挑面刚度，但同时可能增加花口区自重，因此试算期间需注意平衡两者。基于试算结果分析，调节此区域杆件截面能够减少位移影响，且小壁厚杆件能够满足建筑结构造型要求及应力要求。（4）结构应力：结合上述分析，薄膜应力组成主要为结构应力，由于薄膜应力在建筑构件中应用较多，因此薄膜应力在建筑杆件中受力状态极理想，尤其单层自由曲面结构中网格钢结构对外观要求高，因此杆件存在弯曲应力。结合下杆件区域轴力极值分布可知，结构侧面悬挑位置与下部竖向区域交汇处轴向压力最大，而结构底部轴向压力并非最大，与网格限制有关，悬挑位置杆件并未全部抵达底部，而花口处荷载可进入径向杆件，导致此区域杆件轴力值升高[4]。

二、单层自由曲面结构中网格钢结构的稳定性分析

（一）整体稳定性

单层网壳结构稳定性较低，因此设计期间需重点考虑网壳稳定性，并整体分析结构稳定性。特征值难以完全计算、描述结构整体承载力，但可了解建筑设计对结构薄弱环节影响，可为后期结构设计奠定基础。分析几何非线性荷载及位移过程，设计者需清楚表达钢结构刚度、强度及稳定性变化。

（二）线性分析

安装误差、制造误差可致实际建筑结构不符合预期结构，因此分析非线性稳定性期间，除分析几何缺陷外，还需考虑网壳结构敏感性，利用缺陷模态法分析单层网壳结构[5]。常规建筑设计均以初始位形为基础，计算整体结构稳定性时，出考虑结构加载期间位移导致结构杆件弯曲外，还需对杆件弯曲效应分开计算，以保障结构精准。

（三）结论

此喇叭花结构竖向、水平位移情况均符合设计者预期要求，且此结构中构件应力组成了薄膜应力，受网格限制及造型限制影响，增加了喇叭花结构杆件轴力，因此需注意加强结构中部杆件[6]。结合上述分析，喇叭花钢结构建筑具有造型特殊、结构特殊、受力分布复杂等特征，该结构主要受力为受弯。结合非线性稳定分析结果分析，喇叭花建筑整体稳定性与建筑设计要求相符。此外，单层自由曲面结构中网格钢结构属于新型建筑，具有灵活、流畅、多样等特征，对曲面结构进行优化后可提升其静力性能，在城市建筑中具有广泛应用前景，即可满足城市建筑外观、造型要求，又可提升城市建筑整体美观性。

结束语：

综上所述，随着我国城市化进程持续推进，人们对建筑结构要求逐渐提升，导致建筑结构逐渐走向多样化、复杂化，尤其对建筑钢结构要求较高，因此建筑师设计建筑结构时，需基于单层自由曲面网格钢结构刚度、强度、稳定性等多因素进行优化设计，以避免建筑竣工后结构变形，同时加强结构薄弱节点，保障网格钢结构可靠性，推动我国建筑设计向前发展。

参考文献：

[1]胡波,阚建忠,赵国兴,王奇胜,高博青.自由曲面空间网格结构研究及力学性能分析[J].空间结构,2018,24(01):38-45.

[2]张齐,王洪军,黄聿莹,邹瑾.某单层自由曲面网格钢结构设计分析与研究[J].建筑结构,2019,49(23):44-49+96.

[3]施旋,谢中友,徐培.自由曲面网格结构力学性能分析[J].安庆师范大学学报(自然科学版),2019,25(03):52-55.

[4]戴成龙. 装配式双环节点自由曲面单层网格结构静力试验研究[D].东南大学,2019,11(14):38-39.

[5]刘男,冯若强,刘峰成.自由曲面单层三角形网格结构抗震性能研究[J].钢结构,2017,32(09):11-15.

[6]郝传忠,高博青.自由曲面网格结构的力学性能研究[J].低温建筑技术,2017,39(07):18-20+27.