廬山杏林植物園溫室空間鋁單層網殼結構設計

鄧磊

（上海通正鋁結構建設科技有限公司，上海201107）

1 工程概況

廬山植物園山南分園（科技小鎮）項目位于廬山市溫泉鎮趙家垅村附近區域，場地由繞廬山公路及九江繞城高速分割，共分為3 個地塊：繞廬山公路北側地塊（A 地塊）；繞廬山公路南側、九江繞城高速北側地塊（B 地塊）；九江繞城高速南側地塊（C 地塊）。 根據場地條件布局植物溫室展覽、濕地體驗觀光、入口綜合服務、科研試驗辦公、果蔬宿營基地、植物專類園區、育種育苗生產的七大功能分區。 植物園溫室展覽區位于A地塊中心處，設置停車場、草坪劇場、沙漠館、熱帶雨林館、齊歡樂聚館、森活劇場等功能。 本文主要對植物園溫室的結構進行討論。

本項目結構體系為鋁合金單層網殼， 鋁合金網殼具有節能環保、自重輕、抗震性能好、終身免維護及外觀美觀等特點。該項目為植物園溫室，對結構的耐腐蝕性要求較高，同時該項目造型復雜，結合建筑造型和使用功能的要求，最終選擇鋁單層網殼為本項目的結構體系[1]。

2 結構選型與結構布置

本項目溫室區域包括：溫室A 區、溫室B 區、溫室C 區、連接體L1、連接體L2，共5 個部分。

溫室區域的結構單體情況如下：

1）溫室A 區、溫室B 區和連接體L1，3 個區域連為一個結構單體，屋面采用空間鋁合金單層網殼結構形式，局部位置采用鋼構件；

2）溫室C 區為一個結構單體，屋面采用空間鋁合金單層網殼結構形式，局部位置采用鋼構件；

3）連接體L2 為一個結構單體，主體結構采用鋼框架結構形式，落地鋼柱柱腳鉸接，屋面兩側與溫室A 區和溫室C 區的屋面結構構件完全脫開，形成獨立的結構單體。

本項目溫室屋蓋建筑形態近似落地拱形網殼， 共分為3個拱殼：

1）溫室A 區：網殼兩個方向跨度分別為60 m 和64.5 m，矢高約為22 m，矢跨比約為0.367；

2）溫室B 區：網殼兩個方向跨度分別為40 m 和53.3 m，矢高約為14.1 m，矢跨比約為0.353；

3）溫室C 區：網殼兩個方向跨度分別為42.1 m 和45.5 m，矢高約為9.5 m，矢跨比約0.226。

區域A 和B 之間的連接區L1：網殼兩個方向跨度分別為11.5 m 和52 m，矢高約為7.6 m，矢跨比約為0.66。

3 結構設計參數

3.1 主要構件規格

A 館的鋁桿件主要規格為H450 mm×180 mm×8 mm×15 mm，B 館和C 館的鋁桿件主要規格為H400 mm×180 mm×8 mm×14 mm，A 館主鋼梁尺寸為□800 mm×250 mm×25 mm×25 mm，B 館和C 館主鋼梁尺寸為□700 mm×250 mm×20 mm×25 mm。

3.2 結構材料信息

本項目選用的鋁合金材料為6061-T6，選用的鋼材為Q355B（主要分布在曲面銜接位置及部分受力較大的位置）， 鋁合金桿件板式連接節點處采用鋁合金專用不銹鋼環槽鉚釘M10。

3.3 結構設計參數

本工程結構設計基準期和設計使用年限均為50 a， 建筑結構安全等級為二級， 本項目考慮的主要荷載通過面荷載施加于網殼之上，所取荷載具體如下：

1）結構自重：由程序自動添加并計算，并考慮1.15 的放大系數；

2）恒荷載：玻璃幕墻荷載為0.5 kN/m2，并考慮吊掛荷載0.25 kN/m2；

3）活荷載：不上人屋面活荷載取為0.5 kN/m2。計算中考慮半跨活載的不利布置影響。

4）雪荷載：根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[2]，本項目50 a 一遇的基本雪壓為0.40 kN/m2，100 a 一遇的基本雪壓為0.45 kN/m2?？紤]到該空間屋蓋為大跨度空間結構，對雪荷載取值較敏感，本項目按100 a 一遇基本雪壓0.45 kN/m2取值設計，雪荷載準永久值系數分區Ⅲ區，局部位置根據屋面造型考慮雪荷載堆積效應。

5）風荷載：根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，本項目50 a 一遇的基本風壓為0.35 kN/m2，100 a 一遇的基本風壓為0.40 kN/m2?？紤]到該空間屋蓋為大跨度空間結構，對風荷載取值較敏感，按100 a 一遇基本風壓0.40 kN/m2取值。

6）溫度作用：50 a 重現期的月平均最高氣溫29 ℃，月平均最低氣溫-9 ℃。 結構合攏溫度控制在5～15 ℃。 最終考慮升溫24 ℃，降溫-24 ℃。

7）地震作用：根據GB 50023—2008《建筑工程抗震設防分類標準》[3]建筑抗震設防類別為丙類（標準設防類），根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[4]，抗震設防烈度為6 度，設計基本地震加速度為0.05g，地震分組為第一組，按Ⅲ類場地，特征周期為0.45 s，多遇地震下結構阻尼比為0.03。

4 計算分析模型

分析模型：設計中利用3D3S（2021 版）軟件建立上部空間結構計算模型。 A、B 館和C 館分別為獨立的結構單體， 在模型中分開考慮，如圖1 所示。

圖1 A、B館及C館3D3S空間結構計算模型及材料分布圖

荷載傳導：通過封閉面將荷載均布施加于桿件之上。

桿件類型：一般梁單元（歐拉梁）。

邊界條件：支座均為三向固定鉸接支座。

5 靜力分析結果

5.1 變形分析

在恒活荷載的標準組合下，選取幾個有代表性的位置，如圖2 所示。

圖2 A、B館和C館結構測點位置示意圖

經軟件分析，A 館網殼測點A 在恒載+ 活載作用下的最大變形為-72.5 mm， 在恒載+ 雪荷載作用下的最大變形為-82 mm；B 館網殼測點B 在恒載+ 活載作用下的最大變形為-23 mm， 在恒載+雪荷載作用下的最大變形為-26 mm；C 館網殼測點C 在恒載+ 活載作用下的最大變形為-32 mm，在恒載+雪荷載作用下的最大變形為-35 mm （負號表示位移向下，正號表示位移向上）。

其中，A 館的跨度為60 m，B 館的跨度為40 m，C 館的跨度為42.1 m，結構跨中的最大撓跨比分別為：A 館1/732、B 館1/1540、C 館1/1 200，均滿足JGJ 7—2010《空間網格結構技術規程》[5]中單層網殼結構變形的限值1/400 的要求。

5.2 強度分析

經軟件計算，本項目A、B 館及C 館所有桿件均滿足設計強度要求，且大部分桿件應力比控制在0.8 以內。

5.3 整體穩定分析

采用3D3S 軟件對結構進行整體穩定承載力計算，先通過線性屈曲分析結果得到A、B 館和C 館的屈曲模態，以便分析結構的不利位置，再根據一階模態結果添加初始缺陷（L/300，L為網殼的跨度），并考慮幾何非線性，以得到考慮單非情況下的穩定承載力結果。

根據軟件分析，A、B 館在恒載+ 活載作用下的一階模態穩定系數為18.5，C 館在恒載+ 活載作用下的一階模態穩定系數為30.2，A、B 館和C 館的一階模態均為局部失穩，且發生在變形最大位置處。

根據線性屈曲分析結果，對A、B 館和C 館引入幾何缺陷（L/300），再分別對A、B 館和C 館進行幾何非線性分析，可得如圖3 所示結果。

圖3 A、B館及C館帶缺陷的荷載-位移曲線

由上述結果可知，A、B 館的極限荷載因子為26.0，C 館的極限荷載因子為34.5，均遠大于規范T/CECS 634—2019《鋁合金空間網格結構技術規程》[6]要求3.0 的限值，結構整體穩定性好，極限承載能力較強。

6 節點設計

本工程節點設計采用ABAQUS 進行建模計算分析，由于本項目個別節點較復雜，且在空間上位于多桿交匯處，為了使計算結果更符合節點的真實受力狀態， 采用Rhino 建立節點實體模型，然后將其輸入ABAQUS/CAE 有限元程序中，進行有限元分析。

以A 館和B 館交接位置處的支座節點為例，從3D3S 結構計算軟件中提取該節點最不利工況下的內力進行節點分析。本次節點模型采用C3D10 單元類型劃分網格，此單元類型比線性單元能得到更精確的模擬結果， 由于網格尺寸對結果準確性和效率也有一定影響，所以，模型的網格尺寸為30 mm。

節點應力分布如圖4 所示， 應力最大值均在屈服應力（355 MPa） 以內， 此節點在最不利荷載下仍基本處于彈性狀態，滿足結構受力要求。

圖4 節點三維模型及節點應力分布圖

7 結論

廬山杏林溫室項目作為江西省的重點項目，結構較復雜，建筑造型優美。

1）本項目采用了鋁結構單層網殼結構體系，在曲面的銜接位置引入鋼箱梁作為鋁單層網殼的連接點， 既滿足結構受力要求，也滿足節點構造要求，同時能最大限度地滿足建筑造型要求。

2）本項目采用3D3S 軟件對溫室結構進行了各種工況下的靜力分析，得到了結構的變形、內力等結果，并根據其結果對部分構件截面進行了調整，以滿足規范要求。

3）采用了3D3S 軟件對溫室結構進行了整體穩定分析，得到了結構的特征值屈曲系數和非線性穩定屈曲系數， 經計算分析可知，該結構整體穩定性較好，極限承載能力較強。

4）由于該項目部分節點構造較復雜，因此，采用RHINO進行三維建模， 并用ABAQUS 軟件對節點進行有限元分析，以保證節點構造的合理性和安全性。