浅论单层网壳钢结构采光顶设计摘要：介绍了遵义医学院附属医院新蒲医院-门急诊住院综合楼项目。

该工程为门急诊住院综合楼中庭屋顶钢结构部分的单层网壳设计。

文中介绍了工程的结构分析和设计方法。

在设计中建立中庭采光顶结构有限元计算模型。

在综合考虑工程重要性的同时，根据结构的几何力学特点，节点的刚度等多种因素的基础上，对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用等工况组合，对结构在使用阶段的内力和变形进行分析。

在大量计算和分析的基础上，对结构几何体系和构件进行了设计。

并对结构的整体稳定进行了分析。

关键词：网壳的选型设计；节点设计；整体稳定绪论本工程为医院门急诊住院综合楼中庭钢结构部分，属于大型公共建筑。

钢结构屋盖平面呈防锤形，结构纵向最长为82.50m，横向最大跨度27.50m，立面呈椭圆形，最高点高度21.9m。

最低点高度15.55 m。

整个屋顶建筑面积近1850m2。

屋顶中间部分采用夹层中空全钢化玻璃，两侧部分为铝板。

整个结构落在主体混凝土结构上。

深化后采光顶轴侧图论文正文一、结构选型综合考虑建筑的外观效果、经济性、结构安全等因素，屋面结构决定采用经济性、安全性都较好的网壳结构。

本工程钢结构屋面跨度不大，约28m。

因此，形式上采用单层网壳结构。

下端固定在混凝土平台上，交联过程稳定，重复性好。

结构视图二、网格划分在建筑方案的基础上对网壳的曲面形式、几何尺寸重新划分，根据网壳的受力特点，同时考虑了施工因素等因素，来确定网格类型的选择、网格大小的划分，其目的是使网壳受力合理，能充分发挥结构材料的力学性能，也考虑了整体造型美观。

除上述原则外，在遵循最优的结构形式，还应考虑加工制作、半成品运输、吊装安装等条件，与之覆盖的材料协调和匹配，以取得最好的技术和经济效果。

综上考虑，在方案设计时，通过分析和比较，最终网格采用了三向网格型，三向网格形是在水平面内形成大小相等的三角形网格，然后投影到曲面上形成的。

由于这种网格结构组成规律性强，结构外形美观，受力好，适用于该工程。

网格划分布置图边界条件：网壳结构和主体结构混凝土连接采用固定铰支座和滑动铰支座，滑动铰支座的弹簧刚度取值：K=6000KN/m。

网壳结构的梁和立柱，屋面梁和屋面梁，连接均为刚接。

三、结构分析与设计本工程结构耐久性设计年限为50年，设计使用年限50年，设计基准期为50年，建筑结构安全等级为二级。

结构安全系数γO = 1.0。

计算的相关数据和假定均出自以下规范：《建筑结构荷载规范》 GB50009—2012《钢结构设计标准》 GB50017—2017《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010（2016年修订）《建筑结构可靠度设计统一标准》 GB50068—2001《建筑玻璃应用技术规程》 JGJ102—2003《金属与石材幕墙技术规范》 JGJ133—2001《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ102—2001《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010（2015年修订）《空间网格结构技术规程》 JGJ81-20101.荷载类型（1）恒荷载与活荷载玻璃自重：采用 8+8+8 中空夹胶（含龙骨） G=0.80 KN/m2铝板： G=0.50 KN/m2活荷载 0.50KN/m2（2）风荷载本工程50年一遇的基本风压WO= 0.30KN/m2，地面粗糙度B类。

风振系数取1.1。

（3）温度作用初始温度（合拢温度）： 15℃（升温计算）-5℃（降温计算）最大正温差： 35℃- 15℃，取25℃最大负温差： -5℃- 15℃，取-20℃（4）地震作用本工程所在地区为非抗震区，屋顶的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g。

（5）雪荷载和积雪荷载50年的基本雪压0.15KN/m2，积雪分布系数取2.0。

积雪荷载取0.30KN/m2。

小于活荷载，因此取活荷载，安全起见，设计时考虑半跨荷载作用。

（6）荷载工况组合采用正常使用极限状态组合，和承载力极限状态组合。

2.屋顶网壳结构体系设置（1）网壳结构体系几何力学特征本工程属于单层空间网壳。

作为设计合理的网壳结构的受力性能应该符合小变形的特征。

而且构件的材料为各向同性的小应变弹性材料。

网壳结构形式采用三向网格型。

网壳跨度从西向东由27.5m~7.5 m。

高度为6.4m左右。

网壳采用四边支承的形式，网壳沿周边布置钢柱，钢柱柱距3m，柱高3.1m。

整个网壳刚接于下部钢柱，由于网壳是拱结构，为了减小对下部主体混凝土结构的影响，南北向钢柱底部采用固定铰支座，东西向采用双向滑动铰支座。

结构和混凝土采用后置埋件形式。

3.整体结构体系设置整个网壳根据使用功能的不同分玻璃顶和金属屋面顶，玻璃顶和金属屋面顶两者在其边界上通过钢框架是相连接的，玻璃顶支承于53根钢柱上，钢柱平面分部呈防锤型，屋顶钢结构核心部位采用单层网壳结构体系。

网壳东侧的钢柱采用焊接矩形截面，规格两种，南北向钢柱采用BOX-300X200X16X16，东西向钢柱采用BOX-300X300X16X16，材质Q345B。

网壳大面上杆件均采用焊接矩形截面，网壳主梁采用BOX-350X100X16X16，网壳边梁采用BOX-350X100X16X16，材质Q345B。

屋盖单独计算模型钢结构屋盖计算与设计主要结果：（1）构件应力比构件极限承载力应力比小于0.80，钢构件应力比分布见下图。

钢网壳钢构件应力比分布图（2）使用荷载作用下的结构变形依照前文介绍的结构计算方法，采用风荷载、恒荷载、活荷载、温度等各种组合工况作用下，进行整体模型线性分析。

网壳跨中最大竖向变形f = 58.5mm。

f/L=58.5/25432=1/435<1/400，满足《网壳钢结构技术规程》所规定的1/400。

在最不利组合工况下，屋顶最大侧向平面外变形υ=16.8mm，υ/H=1/381小于《玻璃幕墙工程技术规范》所规定的1/250。

见图。

使用荷载作用下的结构侧向位移图（unit mms）（3）结构整体稳定分析结果首先进行线性屈曲分析，求得特征值。

建立特征方程：其中，为线弹性刚度矩阵，为结构的几何刚度矩阵，为位移列征向量。

特征值是根据线性分析得出的一个屈曲荷载放大倍数参考值，值的确定是为了便于进行非线性全过程跟踪分析，不影响验算结果。

屈曲分析没有考虑任何初始缺陷，但它可以预测出极限荷载的上限，了解屈曲的形状。

下表是结构在1.0恒+1.0活载作用下的整体稳定分析：根据《JGJ 61-2003 网壳结构技术规程》，当失稳临界荷载大于设计荷载的5倍以上的时候，即可确定该结构不会发生整体失稳。

从上面分析的结果可以知道，结构的承载力还是较高的，结构的失稳临界荷载均在设计荷载5倍以上，认为结构是安全的。

下图是结构在恒活作用下，结构的前3阶失稳模态分布图：结构三阶自振模态最后分析结果根据相关文献可以得出，结构考虑几何非线性，失稳临界荷载为屈曲分析时的0.4。

第一阶失稳临界荷载为0.4X38.7636 = 15.505。

结构是安全的。

5.节点分析与设计网壳节点设计上都采用刚接，接点形式有多种，可以是铸钢件，球节点，相贯焊等。

由于铸钢件费用和成本都较高。

制作工艺繁琐。

球节点外观上欠美观。

相贯焊在精度上又难以保证。

因此为了保证节点的刚度，达到刚接的目的，我们这里节点设计采用形式同下图，中间采用圆管短柱过渡，杆件和圆管刚接。

节点模型节点的部分有限元分析结果：（c）节点，杆件等效应力云图2施工后的节点模型6.支座节点构造屋面和下部混凝土框架采用铰接，南北向立柱采用固定铰支座，东西向采用双向滑移的球型支座，能满足设计要求。

结构设计时，由于南北向支座力较小，节点设计采用板式铰节点形式，同下图：东西向支座力较大，采用成品球型钢支座，满足节点双向滑动要求，同下图：南北向支座节点模型杆件和立柱连接节点深化模型结论通过对医院门急诊住院综合楼中庭这种异形空间结构，采用单层网壳形式是优选方案。

它容易满足建筑的造型要求，同时制作精度高。

施工方便。

对于类似这一类的工程，除了结构上的要求外，屋面排水，屋面防渗漏，屋面检修荷载等都是设计时要注意的。

该工程现已施工结束，已投入使用，下图为现场施工过程中的安装阶段。

施工安装阶段参考文献：[1]中华人民共和国行业标准. JGJ61-2003 网壳结构技术规程[S] .北京：中国建筑工业出版社，2003[2]沈祖炎，陈扬骥. 网架与网壳[M] .上海：同济大学出版社，1997[3]董石鳞，杜文风. 空间结构[M] .中国电力出版社，2008[4]单鲁阳，严慧. 大跨度双层圆柱面网壳结构的优化分析.建筑结构学报，1999，20（6）：47~55[5]2008 奥运会羽毛球馆大跨度新型弦支穹顶预应力大跨度钢结构设计研究.建筑结构学报，2007[6]肖炽. 空间结构设计与施工[M] . 南京：东南大学出版社，1999。