摘要:结合大庆某双体建筑工程实例，对该双体建筑进行了建筑结构设计与分析，并重点对屋盖采用的网架结构进行了分析，利用大型有限元软件ANSYS建立了网架结构模型，进行了两种荷载组合作用下的受力分析，杆件的承载力和结构的整体变形均满足要求，可见该网架结构在各类荷载作用下是安全的，可为同类双体结构的设计提供参考。
关键词:结构设计；网架结构；ANSYS；有限元模型
Abstract: combining the construction a catamaran daqing project examples, this catamaran buildings structure design and analysis, with emphasis on the roof of the net structure are analyzed, and the software ANSYS established the network frame structure model, the two load combination under the action of stress analysis, stem the bearing capacity of the thing and structure of the deformation will meet the requirements, visible in the network structure of all kinds of load is safe for the similar catamaran provides reference for the design of the structure.
Keywords: structure design; Grid structure; ANSYS; Finite element model
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号
1.引言
随着社会的发展，现代化科技和建筑艺术的进步，人们的审美水平不断提高，要求建筑的造型要有风格、有特色。各种复杂体型的整体建筑不断涌现，它由几个不同大小和形状的体量组成，各体量之间的相互关系的处理是设计的重点。
东北石油大学的地球科学馆及大庆国家石油化工产品质量监督检验中心就是一个典型的双体建筑，如图1所示。该建筑左侧为一个椭圆性单体建筑，右侧为一个矩形单体建筑，上面通过一个网架结构的屋盖相连，造型独特、美观，内部空间布置灵活，易于满足功能需要。本文从建筑设计和结构设计两方面对该双体建筑进行介绍，并利用大型有限元软件ANSYS对屋盖网架结构进行受力分析，杆件的承载力和结构的整体变形均满足要求，可见该网架结构在各类荷载作用下是安全的，可为同类双体结构的设计提供参考。
图1 双体建筑实体图
2.建筑设计
该双体建筑位于大庆市高新技术开发区，建筑总占地面积约为3000m2。左侧椭圆形单体建筑总高度为28.5m，共八层，内部是一个椭圆形的阳光大厅，外侧采用玻璃幕墙，即起到围护的作用，又起到装饰的效果。右侧矩形单体建筑层高较大，一共5层，总高度为20.4m，外墙也采用玻璃幕墙，两者在幕墙的设计上有较大的差别，但又形成了一个统一的整体。
根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）[1]规定，本建筑属于3类普通房屋和构筑物，建筑结构设计的使用年限为50年。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008），大庆的抗震设防烈度设为6度。场地类型为Ⅱ类场地，地震分组为第二组。
3.结构设计
3.1整体结构设计
左侧单体建筑的主体采用钢筋混凝土框架结构，框架柱按椭圆形布置，内部留出一个椭圆形大厅，外圈柱距柱距大于里圈，在拐角处柱距略有减小。右侧单体建筑的主体结构是一个回字形钢筋混凝土框架结构，形状较为规则，框架柱均匀布置，由于其前侧玻璃幕墙距离主体结构有一段距离，而且是一个倾斜的平面，在结构处理上，通过一系列的桁架结构将幕墙的自重及风荷载等传递到主体结构上。
两个单体建筑上方通过网架结构的屋盖连接，在屋盖中部开了一个较大的矩形洞口，这样做的目的有两个：第一，为了减轻屋盖自重，剩余部分结构自重通过两侧的支撑及主体结构传往地基；第二，减小结构的风荷载、积灰荷载、雪荷载等，使结构更加安全。
3.2荷载统计
该工程处于抗震设防烈度为6度的地区，因此只进行竖向荷载作用下的内力分析。根据《筑荷载规范》（GB50009-2001）[2]取值，玻璃幕墙恒荷载标准值为1.5kN/m2，风荷载体形系数墙面取1.2，墙角、檐口等位置取2.0，办公区活荷载标准值为2.0kN/m2, 楼梯、公共走廊活荷载标准值为3.5kN/m2，卫生间活荷载标准值为4.0kN/m2，基本风压为0.35kN/m2。
4.网架结构分析
4.1网架结构概况
由于网架结构具有可实现跨度大、经济、安全可靠、抗震性好、适应性强及制作安装方便等优点，被广泛应用于建筑的屋盖中[3]。网架按其本身的构造可以分为单层网架、双层网架和三层网架，其中，单层网架和三层网架分别适合于跨度很小和跨度很大的情况，在国内工程中应用极少。另外，网架按照支撑情况可以分为周边支撑、四点支撑、多点支撑、三边支撑、对边支撑以及混合支撑等。按组成方式可分为交叉桁架体系网架、三角锥体系网架、四角锥体系网架和六角锥体系网架。
本文研究的双体建筑屋盖所有的网架结构是一个正放四角锥网架，一边简支于主体结构，将网架结构自重及其他一些荷载传递给主体结构，另一边通过四点支撑将荷载直接传给地基，网架结构的节点均采用球节点，网架结构实体图如图2所示。
图2 网架结构实体图
4.2 有限元分析
大型有限元软件ANSYS已经成为土木建筑行业数值仿真分析软件的主流。在普通钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、高层与高耸结构、桥梁、大坝、隧道以及各种构筑物等工程中得到了广泛的应用。使用ANSYS进行网架结构分析也非常便利[4]。
在建立网架结构有限元模型时，首先需要在前处理中选择单元类型，网架结构中的杆件采用Link8单元模拟。Link8单元有着广泛的工程应用，该单元不承受弯矩，能较好的模拟铰接结构。接着输入单元的材料属性及实常数，建立节点，将各节点连接成单元，这里所说的单元包括网架的上弦杆、腹杆以及下弦杆件。因为网架的节点和单元太多，在ANSYS图形用户界面(GUI)上来手工输入过于繁琐，一般采用ANSYS中的APDL语言[5]编制命令流，来建立网架的有限元模型。
网架结构承受的荷载包括恒载、屋面活荷载、雪荷载等。屋面恒载标准值为0.3 kN/m2，可变荷载标准值为0.5 kN/m2，雪荷载标准值为0.4 kN/m2。屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值。因此，活荷载取0.5kN/m2。因为正放四角锥网架的厚度较小，而且在四边做成三角形的形式，所以可以忽略风荷载对网架结构的影响
将上述的屋面恒载及活荷载标准值按照承载力极限状态和正常使用极限状态两种情况分别进行荷载组合，将两种组合得到的均布荷载按等效原则换算成节点集中力，施加在网架结构的上弦节点上。通过ANSYS进行求解，求解时选取静力分析选项，通过后处理器，可以查看各种响应值，如内力、应力、位移等。结果表明，网架结构在两种荷载组合下的应力和竖向扰度均符合要求。
5结 语
结合大庆某双体建筑工程实例，本文对该双体建筑进行了建筑结构设计与分析，并重点对屋盖采用的网架结构进行了分析，利用大型有限元软件ANSYS对屋盖网架结构两种荷载组合作用下进行受力分析，杆件的承载力和结构的整体变形均满足要求，可见该网架结构在各类荷载作用下是安全的，可为同类双体结构的设计提供参考。
参考文献
[1]GB50352-2002.建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2]GB50068-2001.建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]张文福，王秀丽，尹德钰.空间结构[M].北京：科学出版社，2005.
[4]张朝晖. ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2007.
[5]包陈，王呼佳.ANSYS工程分析进阶实例（修订版）[M].北京：中国水利水电出版社，2009.
第一作者简介：陈玮琦（1987- ），女，本科，助理工程师，黑龙江省佳木斯市人，主要从事工程造价工作。
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