国外标准设计网壳结构小窍门

网壳结构具有结构轻巧、造型美观、跨越能力强、工厂化生产程度高、综合经济指标好等诸多优点，在我国煤堆场、矿石堆场等工程项目中被广泛采用。在国外的此类堆场项目中，网壳也将是优先采用的一种结构形式。因此，满足美标的网壳结构设计也将是走向海外的设计人员需要掌握的一项技术。

网壳结构是一种轻型结构，一般采用满应力设计，对作用在结构上的荷载比较敏感。因此，准确选取美标荷载对合理设计网壳结构至关重要。圆柱面网壳上作用的荷载可以在美标的荷载规范ASCE 7中找到依据，最新版本为ASCE 7-16。下面以双层圆柱面网壳为例，简单介绍一下采用美标设计的要点：

一、确定风险类别

风险类别的确定主要是为了确定建筑结构的重要性系数。这是结构设计的关键一步，应在结构设计准则文件“Design Criteria for Structure”中阐述清楚，以免产生荷载加大，投资提高的风险。根据建筑结构失效对人类生命、健康带来的风险的高低，分为I、II、III、IV共四个类别。随着建筑结构的风险类别提高，结构重要性系数增加，如表1.1所示。网壳结构对表中荷载都比较敏感，因此，在计算具体荷载之前，首先要确定建筑结构的风险类别。根据ASCE 7-16 的规定，一般情况下煤堆场、矿石堆场网壳的风险类别为II类。

表1.1 建筑结构根据风险类别确定的重要性系数

二、荷载取值

活荷载

值得注意的是美标的活荷载普遍比国标的大一些，具体规定见ASCE 7-16表4.3-1。拱形屋面最小设计均布活荷载为0.96kN/m²，可按4.8.2条规定根据网壳的从属面积（A_T）和矢跨比（r）进行折减：

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按从属面积减

从属面积A_T≤18.58m²时，不折减；

从属面积18.58 m² < A_T < 55.74 m²时，折减系数取0.6<R₁<1.0；

从属面积A_T ≥ 55.74 m²时，折减系数R₁=0.6。

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按矢跨比减

矢跨比r≤0.125时，不折减；

矢跨比0.125< r<0.375时，折减系数取0.6<R₂<1.0；

矢跨比r≥0.375，折减系数R₂=0.6。

屋面实际设计均布活荷载为：L_r=0.96*R₁*R₂，且0.58≤L_r≤0.96。

风荷载

美标风荷载的规定主要在ASCE 7-16的第26章到第31章。第26章提供了基本的风荷载设计参数，其他章节分别提供了不同的设计方法。设计者根据建筑物特点选用其中一种或几种设计方法而非唯一指定设计方法。当然第31章风洞试验方法为适用面最广，相对最精确的方法，但也存在实施困难，成本高等问题。

主要抗风体系的设计风压按下式计算：

p=qGC_p – q_i (GC_pi)

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基本风速

基本风速是最主要的设计参数。美标的基本风速取值为暴露类别为C类，距地面10米高处，3秒的阵风风速。ASCE 7-16针对建筑物的不同风险类别分别给出了不同的基本风速分布图，并指出了不同的超越概率、年超越概率和平均重现期MRI（Mean Recurrence Interval），不需要再考虑重要性系数和风荷载分项系数。依据ASCE 7-10可以确定不同重现期的风速与50年重现期的风速的换算关系，方便不同重现期之间的风速计算。V_T/V₅₀=[0.36+0.1ln(12T )]

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主体结构风荷载体型系数 

风荷载计算时，另外要确定的关键参数是风荷载体型系数，分为外部风压系数和内部风压系数。当柱面网壳形状比较规整时，可按如下所述选取风压系数。

横向风荷载（风向垂直于屋脊线）作用下，柱面网壳风荷载外部风压体型系数C_p与网壳矢跨比r有关，具体数值如表2.1所示。

表2.1 横向风柱面网壳外部压力系数，C_p

^a当矢跨比0.2≤r≤0.3时，迎风面1/4范围的体型系数还应采用6r-2.1。

纵向风荷载（风向平行于屋脊线）作用下，柱面网壳风荷载外部风压体型系数C_p与距离迎风面的距离有关，具体数值如表2.2所示。

表2.2 纵向风柱面网壳外部压力系数，C_p

内部压力系数GC_pi根据建筑结构封闭情况，按表2.3选用

    表2.3 主要抗风系统、构件及围护结构的风荷载内部压力系数，GC_pi

网壳属于对风荷载尤为敏感的结构，一般有风荷载参与的荷载组合为控制组合。因此，最好在提交给业主的“结构设计准则”中阐述清楚网壳风荷载外部压力系数计算原则，供审查，审查通过后再进行详细设计，这样避免很多后续审查不必要的麻烦。

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风荷载工况

美标风荷载计算应考虑单方向风荷载、单方向风荷载加扭转风荷载、两个方向同时作用风荷载、两个方向风荷载加扭转风荷载四类工况（如下图CASE 1~CASE 4）。而实际计算过程中，风荷载的扭转是很难实现的。为了简化计算，ASCE 7附录D给出了忽略扭转工况的简化算法。对柱面网壳而言，如果设计风荷载提高1.5倍，即可不考虑扭转工况。

地震荷载

美标地震荷载主要见ASCE 7-16第11、12和15章，地震荷载应包含竖向地震和水平地震。计算竖向地震时应考虑向上、向下两个方向。当竖向地震较小（S_DS≤0.125）时，可不考虑竖向地震作用。

美标的有效地震质量取值与国标有所不同，主要包括以下6部分：

1）全部恒荷载；

2）用于贮藏的活荷载，取活荷载的1/4；

3）有4.3.2条规定的灵活布置的建筑，取实际荷载或0.48kN/m²，两者中的大值；

4）永久设备总的运行重量；

5）平屋面雪荷载超过1.44kN/m²时，取设计雪荷载的20%；

6）屋顶花园或类似区域的景观和其他材料的重量。

对网壳结构而言，只考虑第一项全部恒荷载即可。

抗震设计类别为B~F类的网壳，地震反应修正系数R、超强系数Ω₀、变形放大系数C_d参照表15.4-1（类似建筑物的非建筑结构地震系数）中的建筑框架体系选用。同时结构设计还应满足AISC 341的有关规定。

                                           

三、荷载组合

美标荷载组合见ASCE 7-16第2章的规定

0 1

结构、构件强度验算的荷载组合

美标结构、构件强度设计可采用LRFD法（荷载抗力系数法），基本组合有：

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1.4D

0 2

1.2D + 1.6L + 0.5(Lr or S or R) 

0 3

1.2D + 1.6(Lr or S or R)+(L or 0.5W) 

0 4

1.2D + 1.0W + L + 0.5(Lr or S or R) 

0 5

0.9D + 1.0W

0 6

1.2D + E_v + E_h + L + 0.2S

0 7

0.9D - E_v + E_h

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上述荷载组合+1.2T（用于有持续温度荷载作用）

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结构变形验算的荷载组合

美标中结构变形验算时一般只要求单工况荷载（例如：L、S、W、E荷载工况）作用下结构、构件的变形满足规范规定的限值。

                                           

四、剧透

美标设计需要采用国际通用的设计软件，如SAP2000、STAAD PRO等，来满足PMC审查要求。但是通用软件在网壳结构满应力设计、节点设计、绘制施工图等方面不如专业网壳设计软件。而MST、SFCAD等专业网壳设计软件很好的解决了这些问题。通过图形交互操作，从输入图形到绘制施工图，直至机械加工图一气呵成，极大地提高了设计效率。但是，这些软件不是一款国际通用的设计软件，暂时还不能被国外PMC认可。为提高设计效率，可先用MST完成结构模型计算分析，输出数据文件，导入Sap2000，重新计算分析，根据结果局部调整模型，再生成PMC认可的计算书文件，然后输出数据文件，再导入MST中，利用MST的绘图功能，快速绘制网壳施工图。

网壳模型图展示：

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知识点：网壳结构