干煤棚柱面网壳结构的设计

, 跨度为 75 m, 长度为
200 m, 采用正放抽 空四角锥 网壳, 抽 空后 结构的总用钢量降 低了 2~ 3 kg / m 2 ; 当结 构的长度和跨度的比值小于 1 5 时 , 结构呈 多向受力性状, 选用斜放类网壳更利于荷载 的传 递, 如 嘉 兴 电 厂 干 煤 棚 双 层 柱 面 网 壳
[ 1]
。
St ructural Eng ineers 2001; ( 3) 干煤棚柱面网壳结构常用的几何外形 如图 1 所示。在结构几何外形选择时, 一般 是根据实际工程中的主要外荷及其作用的 效应 ( 长期或短期) 以及其他影响因素, 综合 考虑来确定。当结构的几何外形为圆柱面 ( 如图 1( b) ) , 且接近于合理拱轴线时 , 对正 放类网壳结构在均匀分布的屋面恒荷载作 用下 , 结构跨度方向的杆件内力分布比较均 匀, 弯曲对结构的影响较小; 但如果不满足
1 前
言
析和比较。
由于环保要求和建设用地的严格控制, 煤炭的散堆方式必须被封闭储装方式所取 代, 所以干煤棚的建设近年来在我国蓬勃发 展起来。干煤棚的建筑功能主要是大型的 储存库房 , 所以它必须具有一定的储存和作 业空间 , 即结构必 须能满足 一定的净 空要 求, 而且它的有效使用空间的截面形状是梯 形, 作业空间的包络线接近弧形。干煤棚结 构的长度和宽度是根据装机容量的需要来 确定的, 而其结构的高度则由堆煤和斗轮机 的作业要求 来确定 。因 此, 干煤棚 结构 的特 点是跨度大、 高度高、 且覆盖面积 广。 针对结构的这些特点 , 双层柱面网壳结构成 了首选的结构形式。然而在这种功能特殊 的结构中 , 双层柱面网壳结构的设计应注意
扭矩的作用。这些差别主要是由于刚接模 型对节点刚度的假定大于实际节点构造所 能够提供的刚度 , 所以计算所得节点位移较 小 , 同时, 采用刚接模型计算时 , 一般并未计 及轴向变形、 弯曲变形和扭转变形的耦合作 用 , 当构件承受弯、 剪、 扭和轴向力的联合作 用时, 所有位移、 内力均是采用迭加的方法 求得, 但在大跨度、 大变形结构中, 耦合效应 是不容忽略的。所以 , 按刚接模型计算是偏
2
设计方法研究 这些条件, 则局部弯曲应力可能会变成主要 应力而对结构局部产生较大影响。三心圆 柱面网壳 ( 如图 1( c) ) 与圆柱面网壳相 比, 一方面可提高空间的利用率, 另一方面在风 荷载作用下受力性能较好。在风荷载作用 下三心圆 柱面 网壳呈 现门式 刚架 ( 如 图 1 ( d) ) 的受力性状 , 但在屋面荷载作用下它的 受力却较不均匀。
St ructural Eng ineers 2001; ( 3) 不安全的。而采用铰接模型计算时 , 则认为 节点不具有任何抗弯刚度 , 但实际节点的构 造是允许完全自由转动的 , 当实际节点的构 造不具有足够的转动量, 则节点处将产生弯 矩, 使受拉的高强螺栓受剪或受弯。所以, 在干煤棚结构设计中 , 采用铰接计算模型整 体计算后, 必须作局部修正, 以考虑局部次 应力的影响。 另需指出, 在干煤棚结构的设计中, 单 元的选取一般是根据结构自然的几何拓扑 关系来确定的。但在实际结构中总是存在 长短不一的杆件 , 这样以一根杆件作为一个 单元, 则各单元的计算精确就不同, 使得整 个结构的设计精度下降。解决这个问题的 最好的方法便是采用自适应有限元法进行 分析, 这样通过网格的自动细分, 来提高整 个结构的分析精度。
3
结构工程师 2001; ( 3) 定的理想铰接模型不再相符 , 所以, 在随后 的荷载作用下节点处会产生次弯矩 , 从而使 设计为受拉连接的高强螺栓受弯和受剪 , 大 大降低了整个结构的承载能力。为此本文 对干煤棚结构计算模型的选择作了一些比 较。 取一跨度为 30 m , 长度为 36 m, 拱高 为 5 m 的双层圆 柱面网壳, 在屋面 荷载作 用下, 分别采用刚接计算模型和铰接计算模 型进行了计算 , 沿结构跨度方向取一剖面, 进行剖面上节点位移和杆件内力的比较 , 结 果如图 2 所示。图 2( a, b) 表示刚接和铰接 两种模型计算位移的比较, 图 2( c) 表示刚 接模型计算所得杆件弯扭矩 , 图 2( d) 表示 两种模型计算内力的比较。
4 支承条件及支座节点的力学模型 假定
干煤棚柱面网壳结构的支承条件与支 座节点的力学模型的假定是结构设计的重 要组成 部分[ 3] , 支 座节点的 自由度数 和约 束程度, 必须与实际结构的支座形式和支承 条件相一致 , 否则整个结构设计的安全性、 经济性均得不到保证。 在实际结构设计中, 对于不同形式的下 部支承结构, 应做恰当的约束条件假定。干 煤棚结构常用的支承结构如图 3 所示, 图 3 ( a) 表示网壳支承于框架柱, 图 3( b) 表示网 壳支承于梁 , 图 3( c) 表示网壳支承于基础 梁。这三种不同的下部结构将对煤棚结构 产生不同的约束程度。当干煤棚结构支承 于连续地基梁时 , 因地基梁刚度较大, 变形 较小, 可假定为理想的三向固定约束; 当干 煤棚结构支承于框架柱时 , 因框架柱具有一 定的高度, 可发生一定的侧向变形, 所以应 假定为弹性支承 , 而弹性支承刚度的大小要
( a) Z 方向挠度图
( b) Y 方向侧移图
( c) 杆件弯矩扭矩图
( d) 杆件轴力图
从图 2( c) 可以看出, 刚接模型计算所 得杆件弯曲扭矩与杆件轴力比较属于微小 量, 这主要是因为该算例的几何外形是圆柱 面, 接近于合理拱轴线 , 所以结构中以杆件 轴力为主要内力 , 弯曲的影响较小。从图 2 ( a, b, d) 可以看出 , 两种计算模型所得出的 结构位移曲线和杆件内力曲线差别均较大。 按刚接模型计算 , 结构的位移和杆件内力均 较小 , 但杆件除有轴力外 , 还有剪力、 弯矩和
4
设计方法研究 根据具体情况经过计算而定; 当干煤棚结构 支承于梁时 , 情况同框架柱相似, 需计算支 承刚度。
图3
另一方面, 对于不同形式的支座节点构 造
[ 5]
, 应做恰当 的节点 计算模 型假定。当
结构采用平 板支座时 , 因支 座球焊于 加劲 板 , 加劲板又焊于支座底板, 而支座底板与 预埋件之间紧密相连 , 所以支座节点的转动 变形受到约束, 节点的受力接近于 6 个自由 度刚接节点 , 理想的假定应为刚接点或半刚 接节点 ; 当结构采用板式橡胶支座时, 依靠 橡胶的剪切变形 , 支座节点可有一定的转动 量 , 接近于铰接节点 , 计算时可以假定为 3 个自由度节点; 当结构采用球铰支座或弧形 支座时 , 支座节点允许单个方向或多个方向 的自由转动 , 支座节点或可假定为 5 个自由 度、 4 个自由度或 3 个自由度的理想铰接节 点。
设计方法研究
1
结构工程师 2001; ( 3)
干煤棚柱面网壳结构的设计
聂国隽 钱若军
( 同济大学 , 上海 200092)
提 要 鉴于目前干煤棚结构设计的现状, 本文对设计中的几个关键问题做了详细的分析 比较 , 最后对这一功能特殊的结构体系的设计提出了几点建议。 关键词 干煤棚 , 柱面网壳 , 设计
5 荷载工况和荷载效应
在干煤棚网壳结构的分析中, 风荷载的 确定是很重要的。但由于风载分布强度除 了取决于壳 体的矢跨 比外, 还与相邻 建筑 物、 网壳型体及其上的孔口与表面粗糙程度 等有着密切的关系, 所以精确地给出风荷载 的分布是比较困难的。从目前已竣工的工 程的风洞试验结果可知, 不同的结构几何外 形其风压的分布规律也相差较远[ 2, 4] , 所以 鉴见已有工程的风洞试验结果仅能用作初 步分析 , 对于大跨度、 复杂型体的网壳结构, 最后 的 设计 必须 根据 风洞 试验 取 得的 数 据 [ 3] 。 大面积堆载是干煤棚结构特有的外荷
, 跨度 为 103 5 m, 长度 为 88 0 m, 采
用斜置正放四角锥网壳, 取得了较好的经济 效果。 另外 , 在结构设计中应采取必要的构造 措施 , 以提高和改善整个结构的承载能力。 如: 沿柱面网壳的纵向设置横膈, 对柱面网 壳的受力是非常有利的, 它起到了加劲肋的
设计方法研究 体连接方式。当前, 双层网壳结构的分析大 多采用铰接的空间杆元模型或刚接的空间 梁元模型, 而在实际结构中, 由于构造方面 的原因, 网壳节点的刚度往往介于理想的铰 接和刚接之间。国内外学者对节点刚度对 网壳结构内力和稳定的影响进行了广泛的 理论分析和实验研究, 研究结果表明, 节点 刚度对结构的内力分布和整体稳定性会产 生巨大的影响, 实际结构与假想为铰接或刚 接所求得的结果明显不同 , 这种差别随着网 壳型式不同而变化 [ 3] 。如螺栓球节点网壳 的设计中 , 一般均采用铰接模型进行计算, 但在结构的局部 , 实际受力情况和计算值有 较大差别, 这是因为 , 当结构的变形在克服 节点连接处 的间隙 后, 节点 便不能自 由转 动, 此时节点具有了一定的抗弯刚度, 与假
设计方法研究 载, 它所引起的基础变形, 可能会改变整个 结构的受力状态。另一方面, 这种荷载对结 构的作用是长期效应, 受多种因素的影响, 设计中精确计算较为困难 , 所以应采取适当 的措施予以减小它的影响 , 如加载预压等。
图 1 干煤棚柱面网壳常用的几何外形
干煤棚结构的拓扑形式可根据其长跨 比来选择 , 当干煤棚结构的长度和跨度的比 值大于 1 5 时, 结构呈单向受力性状, 选用 正放类网壳较为经济 , 且该种结构形式还可 以考虑抽空来提高结构的经济性, 如江苏金 东纸业干煤棚网壳
[ 4]
作用, 有效地防止柱面壳展开或伸开, 保证 柱面网壳有足够的刚度和可靠的整体作用。 适当地布置横膈可达到改善柱面网壳内力 分布的目的 , 也可减少柱面网壳边界处的水 平推力 , 横膈一般在柱面网壳的两端布置, 当其纵向较长时也可在壳体中间布置。
[ 1]
2 结构几何外形和拓扑的选择和比 较
双层柱面网壳结构的分析和设计包括 结构几何外形的拓扑的设计, 结构的几何外 形或拓扑是影响结构特性的一个极为敏感 的因素 , 结构设计的过程应是寻求合理的结 构外形和拓扑、 合理的内力和内力分布、 合 理的刚度和刚度分布 , 且符合某种准则的过 程 [ 3] 。如结构外 形曲面选 择不当 , 则结 构 的静力性状不佳且耗钢量增加。另外, 结构 曲面的展开 面积过大 , 势必 增加结构 用钢 量、 屋面 覆盖材料 的用量及 整个结构 的耗 能。通常, 结构几何外形的选择服从于空间 的需要且受到结构模数的制约
[ 1]
wenku.baidu.com
3 结构计算模型的选择和比较
双层网壳结构是曲面型的网格结构 , 兼 有杆系结构和薄壳结构的固有特性 , 受力合 理 , 可跨越较大空间 , 是一种性能优越的空 间结构。网壳结构强度分析的方法一般是 采用基于离散化假定的杆系有限元法, 且一 般静力分析均在线弹性范围内进行 , 而不考 虑其材料和几何非线性。双层网壳结构的 力学模型的选择主要取决于杆件端部各自 由度方式上的约束程度, 即杆件与节点的具
The Design of Reticulated Sheel Using in Dry coal shed
NIE Guojun QIAN Ruojun
( T ongji U niversity, Shanghai 200092)
Abstract According to t he present st at e of the design of dry coal shed, this paper proceeds de t ailed analysis and comparison about some key problems during t he design process. F inally sug gestions are present ed about the design of t his kind of special structural system. Keywords dry coal shed, cylindrical reticulated sheel, design 哪些问题呢 ? 本文就这一情况做了以下分