網殼結構因其剛度大、重量輕、結構穩定且能滿足大跨度功能需求等優點，是大跨空間結構設計的一種較為理想的選擇，具有廣闊的應用前景[1,2,3]。我國是世界上多地震的國家之一，隨著地震的頻繁發生，造成的損傷巨大，故建筑結構的抗震性能成為了實際工程應用中必須考慮的重要參數，根據場地類別和結構類型對抗震設防進行分類，參照規范要求進行結構抗震設計以及采取抗震構造措施，尤其是對于大跨空間網殼結構，其空間結構復雜，地震產生的振動慣性會迫使網殼結構承受較大的內力并產生較大的空間位移，易導致結構產生較大變形從而喪失承載力，甚至發生整體失穩，主體結構倒塌[4,5,6]的問題。

　　《建筑抗震設計規范》提出了以結構安全性為主的三水準目標，因此大跨空間網殼在結構整體穩定性和桿件截面設計中，考慮地震作用尤為重要。針對長沙卓伯根項目鋼網殼，本文選用MIDAS有限元分析軟件建立網殼結構模型進行非線性分析，研究了網殼結構在抗震設防烈度6度時，分別在多遇和罕遇地震作用下，結構整體的位移響應和各個組成桿件的內力變形規律，驗證了結構整體穩定性和組成構件的承載性能，為大跨空間雙曲面網殼的結構設計和模態分析提供一定的參考。

　　1 、研究目的

　　長沙洋湖卓伯根商業綜合體項目坐落于長沙市岳麓區，基地東鄰湘浦路，北靠洋湖大道，南至景園路，西側為地鐵停車場。城市區人流量大，交通狀況復雜，地上部分由三棟高層公寓及其下部多層商業裙房，和一棟多層購物中心組成。主體結構底部設置兩層地下室，部分設置地下夾層，其頂部網殼采用雙曲面網殼，跨度大，空間組成復雜。故利用有限元分析軟件對大跨鋼網殼進行建模，通過自振模態分析，了解了網殼結構的動力特性，在此基礎上選用合適的地震波，利用振型分解反應譜法研究網殼結構在6度抗震設防烈度時，結構整體位移響應以及各個組成桿件的內力變形，由此判斷空間網架結構設計的合理性，為之后的設計優化提供參考依據。

　　2 、研究方法

　　卓伯根商業綜合體南區屋面天井區域是一個采用方鋼管焊接而成的雙曲面網殼，主梁截面為矩形管400mm×200mm×12mm;次梁截面為矩形管200mm×100mm×8mm，主梁交叉節點采用圓管節點，截面尺寸為Φ700×25mm。網殼長軸長度為71664mm，短軸長度為28477mm，高度為3000mm。弧面朝下扣在天井上方，周邊支撐點為圓鋼管柱和箱型鋼梁，網殼主梁主要支撐點在周邊一圈箱型梁上，網殼上方是玻璃幕墻，荷載通過網殼主梁傳給周邊一圈主梁，然后傳給圓鋼管柱。

　　本項目網殼結構采用C30混凝土、Q355B鋼材，密度取7.85×103kg·m-3，屋蓋恒荷載取值為1.5k N·m-2，活荷載取值為0.5k N·m-2，故結構等效質量為結構自重+1.0×恒荷載+0.5×活荷載。

　　長沙洋湖卓伯根商業綜合體項目的設計使用年限為50年，安全等級為二級，為標準設防類項目，設計地震分組為第一組，根據規范在多遇地震作用下特征周期值取0.35s，罕遇地震作用下取0.40s，選用振型分解反應譜法對網殼結構進行抗震計算[7]。

　　3 、研究過程

　　3.1 、自振模態分析

　　固有頻率和振型直接影響著大跨空間網殼結構在地震作用下的動力響應，可通過對模型進行模態分析確定，從而得知結構的質量剛度分布規律，直觀判斷結構設計是否合理。本文采用MIDAS/Gen軟件對結構進行抗震計算，選取模態分析得到的前15階振型對應的頻率值見表1。結構的前4階振型如圖1所示，結合表1數值可知網殼結構前4階主要振型的頻譜非常密集。

　　通過觀察網殼結構模型在模態分析中的頻譜曲線和分析數據可知，隨模態階數增加，自振頻率的分布越來越密集，第1階與第15階的自振頻率僅相差4.76Hz，有效質量系數較大，且頻率分布曲線變化均勻。前四階的振型包含結構水平振動和豎向振動，觀察可知結構以豎向振動為主，水平振動相對較小，說明此網殼結構的豎向剛度較弱。由于此項目屋頂網殼采用的是雙對稱結構，故模態振型圖沿對稱軸也基本呈現出正對稱或反對稱形態，在網殼對稱短軸兩側區域振動響應最大，網殼外圍桿件幾乎沒有位移響應，屋頂網殼的自振頻率分布十分密集，在進行地震作用分析時組合前20階振型才能達到90%以上的有效質量，準確模擬網殼受力特性。

　　3.2、 反應譜分析

　　3.2.1 、地震作用下結構位移響應分析

　　卓伯根項目鋼結構網殼為雙軸對稱結構，根據結構的受力特點選取11個節點，編號分別為17、71、132、228、244、351、367、463、524、596、646，通過對比分析以上節點在受力過程中產生的位移，判斷出空間網殼的最不利位置作為結構設計的控制節點。由反應譜分析可得到X、Y、Z向地震單獨作用下的節點位移峰值見表2、表3、表4，在受力過程中結構產生的變形如圖1所示。

　　對比分析表2、表3的位移峰值可知，X向地震單獨作用時，各節點Z向位移遠大于X向位移，X方向產生的位移明顯比Y方向大，Y方向幾乎為零。Y向地震單獨作用時，各節點Z方向產生的位移遠大于Y方向和X向位移。由此可知，結構的水平位移差異較小，豎向位移差異較大。

　　表4數據顯示，Z向地震單獨作用時，控制節點X方向和Y方向產生的位移峰值均為零，節點產生位移主要是Z方向的位移，通過各方向產生的位移值表明網殼結構平面內整體剛度大，平面外整體剛度相對較小。分析可知，地震作用呈三個方向單獨作用在空間網殼上時，網殼的空間變形均以豎向位移為主，水平位移相對較小，而且結構豎向位移由四周向中間逐漸變大，中心位移為14.546mm。

　　總結可得，結構在不同方向的地震作用下，同方向位移節點位移數值變化較小，且以豎向位移為主，水平位移數值遠小于豎向位移數值，豎向位移峰值出現在結構中心為14.546mm，符合結構設計要求，表明該結構的抗震性能良好。

　　3.2.2、 地震作用下支撐反力響應分析

　　通過反應譜分析得到X、Y、Z向地震單獨作用下的網殼支撐節點反力峰值及結構所有支撐反力，如表5所示，可知，X、Y和Z向地震作用下，反力最大值均在697號節點出現，其最大值為Z向地震單獨作用下，為202.1k N。

　　3.2.3 、地震作用下結構內力響應分析

　　通過模型在受力過程中的應力分析發現，編號分別為166、285、406、675的桿件為關鍵桿件，表6、表7、表8為相應最不利內力值。

　　分析表6、表7、表8中最不利內力值可知，在地震作用下，選擇關鍵桿件承受的軸力值較大，而剪力值較小，可以忽略不計，且桿件最不利彎矩值也較小，故此空間網殼結構的桿件承受的內力主要為軸力。對比表中數據可知，在地震作用下，324號桿件是最不利感覺，承受的軸力值最大，為182.41k N。同時，結合位移變化，可以看出：在單方向地震作用下，節點在同一方向上的位移變化較小，單方向變形協調;關鍵桿件在地震作用下內力變化較大，但均在合理設計范圍內，桿件承載力滿足設計要求;控制節點在地震作用下產生的位移值均較小，滿足限值要求。

　　4、 結論

　　通過對長沙洋湖卓伯根商業綜合體項目鋼結構網殼進行多余和罕遇地震作用下的反應譜分析，主要得出以下結論：

　　(1)本文研究的大跨空間鋼網殼結構由方鋼管焊接形成，桿件數量多，故結構自由度多，在地震作用下受力復雜，有多種振型組合，地震作用下豎向振動較大，水平相對較小。

　　(2)6度地震作用下結構變形以豎向變形為主，水平變形為輔，網殼結構豎向位移由四周向中間逐漸變大，最大值滿足位移限制要求。

　　(3)不同地震輸入作用下，結構支撐最大反力出現在結構兩端，網殼結構中桿件主要承受軸力，彎矩和剪力相對較小，驗算桿件截面可知，符合承載力設計要求和截面穩定性。

　　參考文獻

　　[1]唐志勃，穆立春,蘇鋼.屋面大跨度鋼桁架同步頂升施工技術[J]建筑施工，2021,43(2):201-204.

　　[2]天順多連跨高大空間網架的吊裝施I關鍵技術J]建筑施工, 2020,42(10):1855-1857.

　　[3]文井，馮國軍，談虎,等大跨度空間結構鑄鋼件及抗震支座施工技術[J]建筑施工，2015,37(2)-:208-209.

　　《大跨度鋼網殼抗震性能分析》來源;《科技創新與應用》，作者：王其良 曾慶國 劉甜