2.2.4 温室结构体系方案三
太原植物园温室项目包含多个单体，其中包含3 个温室建筑，分别为1#温室、2#温室、3#温室，内部种植热带植物、沙生植物，跨度依次为89.5m、54m、43m。跨度最大的温室为1#温室，其高度约29m。温室建筑外观造型呈穹顶结构（图2.22），建筑效果要求为全木结构，温室外围护为玻璃幕墙，内部不设吊顶。温室结构采用胶合木网壳结构体系，结构采用双向交叉上下叠放木梁形成网壳，在纵向（南北向）木梁对应位置下部间隔三根梁增设木梁进行加强，纵向（南北向）木梁夹住横向（东西向）木梁。其中纵向（南北向）木梁截面均为200mm×400mm，间隔双层加强，横向（东西向）木梁截面均为200mm×300mm。横向木梁上表面与纵向木梁下表面平齐，横向木梁下表面与纵向加强木梁上表面平齐。为了增加结构整体性和刚度，在网壳下部增设双向交叉索网，索网布置方向与木梁斜交，索网和木结构网壳之间通过拉杆连接形成整个温室结构体系。上部结构支承于下部钢筋混凝土结构顶部，北侧较高处支承于墙体顶部，南侧较低处支承于基础梁顶部，上部结构与下部混凝土结构之间通过半刚接支座连接。
与前种方案比较，将网格划分、拉索布置、拉杆形式进行了优化，主要内容如下：
（1）原网格划分南北向为发散布置，东西向为弧形布置，造成发散状根部附近杆件太过密集，杆件长度较短，次向木构件由于弧度太大，有大量双曲构件，加工、安装难度较大。优化后，网格更均匀，次向木梁弧度减小，双曲构件数量减少。
（2）原方案拉索沿着木梁方向布置，经过分析后发现受力效率不高，因此将索网旋转45°与木梁方向呈交叉斜向布置。经过计算，发现索网对提高结构整体刚度、稳定性效果明显，受力更合理。
（3）索网和木梁之间的连接拉索变为刚性拉杆，为了与木结构可靠连接，拉杆设计成倒四角锥形式，4 个爪件可以与4 个木梁固定，整体性和稳定性更好。
图2..22 温室立面示意图
经过以上优化，网格划分更加均匀，双曲杆件数量减少，加工安装难度降低，结构体系受力更加合理。网格划分及结构体系如图2.23、图2.24 所示。
图2.23 温室网格划分
图2.24 温室结构体系三维示意图
1）结构体系特点
（1）双向三层木梁交叉叠放形成网壳结构。
（2）三层木梁不共面。
（3）在节点区木梁贯通不断开。
（4）木梁以受压为主。
（5）双向斜交拉索的主要作用为控制网壳稳定性、整体性。
2）边界条件
支座条件，如图2.25 所示。
图2.25 支座条件
3）几何模型
叠放梁几何模型，如图2.26 所示。
图2.26 叠放梁几何模型
4）主要计算结果
主要计算结果，如图2.27 所示。
图2.27 温室结构竖向位移
结构在各工况组合下，竖向位移均较小，增加拉索后结构刚度明显增加（图2.28、图2.29）。
图2.28 温室结构水平位移
图2.29 温室结构应力、内力
胶合木构件在恒载+活载组合下最大压应力为9.9MPa，在最不利荷载组合（恒载+活载+风+温度，恒载+雪+风+温度）作用下最大压应力为11.2MPa，大部分区域应力为3～4MPa。最不利设计组合下拉索内力为176kN。
5）自振特征
对结构进行自振特性分析，得到温室结构的自振周期和振型，采用小应变线性分析，得到自振周期如表2.13、图2.30 所示。
表2.13 结构自振周期
图2.30 结构自振振型
有限元计算和规范方法计算有一定差别，进一步根据规范要求进行胶合木梁内力验算。
（1）轴力最大进行内力验算（图2.31）。
图2.31 轴力最大进行内力验算
（2）弯矩最大进行内力验算（图2.32）。
图2.32 弯矩最大进行内力验算
（3）构件验算。提取受力较大的杆件轴力、弯矩、剪力结果，依据《胶合木结构技术规范》（GB/T 50708—2012）第五章的相关公式进行构件截面验算。胶合木杆件控制内力结果见表2.14。
表2.14 控制内力结果
注：通过对比分析，本结构中杆件弯矩最小时剪力、拉力（压力）同样较小，故表中不再提供最小弯矩控制的荷载组合。
6）强度设计值调整
由于木材自身的特性，不同的使用条件对木材的性能有一定的影响。因此，在不同的使用条件下，胶合木强度设计值和弹性模量应乘以相应的调整系数（表2.15）。
表2.15 强度设计值调整系数
由于本项目中含水率大于15%，故应乘以系数0.8。
综上所述，对木材强度设计值进行折减后，数值见2.16。
7）截面验算
主体结构施工完成后，需安装玻璃幕墙，胶合木梁双向布置，故认为本结构中胶合木杆件不存在侧向失稳问题，仅需验算最不利截面强度，详见下述。
表2.16 强度设计值调整后结果
取表2.18 中组合内力，分别按压弯、拉弯构件验算杆件的内力。构件截面为200mm×400mm，有效支承长度取一节杆件长度，为1.95m。
8）拉弯组合验算
依据《木结构设计标准》（GB 50005—2017）第5.3.1 条，拉弯构件的承载能力按下式验算：
式中 N、M——轴向拉力设计值（N）、弯矩设计值（N·mm）；
An、Wn——构件截面净截面面积（mm2）、净截面抵抗矩（mm3）；
ft、fm——构件材料的顺纹抗拉强度设计值、抗弯强度设计值。
据表2.16 中最大拉力组合①结果：
故拉弯组合强度验算通过。
9）压弯组合验算
表2.16 中存在轴向压力较大的工况，且存在一定弯矩，故需进行压弯组合验算，压弯杆件需要考虑强度及稳定两个方面。
依据《木结构设计标准》第5.3.2 条，压弯构件承载能力按强度验算时，依据下式进行：
按稳定验算时，应按下式验算：
式中 φ ——轴心受压构件的稳定系数；
A0——计算面积，此处与全截面面积A 相等；
φm——考虑轴向力和初始弯矩共同作用的折减系数；
N——轴向压力设计值（N）；
M0——横向荷载作用下跨中最大初始弯矩设计值（N·mm）；
e0——构件轴向压力的初始偏心距（mm），当不能确定时，可按0.05 倍构件截面高度采用，即0.05×400=20mm；
fc、fm——考虑调整系数后构件材料的顺纹抗压强度设计值、抗弯强度设计值（N/mm2）。
其中，轴心受压构件稳定系数需依据《木结构设计标准》（GB50005—2017）第5.1.4条求解，依据下式进行：
当λ ＞λc 时，
当λ ≤λc 时，
式中 φ ——轴心受压构件的稳定系数；
i——构件截面的回转半径（mm）；
l0——受压构件的计算长度（mm），该处视为梁端铰接，故应等于有效支承长度1 950mm；
Ek——构件材料的弹性模量标准值（N/mm2）；
ac, bc, cc, β ——材料相关系数，根据材料类型规范给出不同取值，该处应按胶合木选取，四者分别为0.91、3.69、3.45、1.05。
由于表2.16 中，荷载组合④的弯矩较大、压力较小，而控制组合②的弯矩较小、压力较大，故两种组合均需要进行验算。
强度验算时：
组合②：
组合④：故强度验算通过。
稳定验算时：
（1）依据式（2.7）～式（2.9）计算轴心受压构件稳定系数φ
组合②，④：
（2）依据式（2.4）～式（2.6）计算考虑弯矩与轴力相互作用的折减系数φm
组合②：
组合④：
（3）依据式2.3 验算压弯稳定：
组合②：
组合④：
故稳定验算通过，压弯组合验算通过。
10）抗剪验算
依据《木结构设计标准》第5.2.4 条规定，受弯构件的抗剪承载能力应按下式验算：
式中 fv——构件材料的顺纹抗剪强度设计值（N/mm2）；
V——受弯构件剪力设计值（N）；
S——剪切面以上的截面面积对中性轴的面积矩（mm3）。
选取表2.16 剪力最大的内力控制组合③，据式以上计算公式进行验算：
故抗剪验算通过。
从以上分析可知，结构体系优化后，增加拉索，结构刚度增加，位移减小，在常规荷载作用和地震作用下胶合木应力比较小，均满足规范要求，结构整体性增加。由以上计算可知，胶合木拉索组合结构体系成立，各项参数均满足规范要求，材料用量统计见表2.17。
由表2.17 可知，与钢-木结构体系相比，胶合木用量基本相当，但是钢材用量差距较大，方案三钢材用量远少于方案二。
表2.17 材料用量统计
