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            大跨度封閉式柱面網架結構設計

            文章出處:三維鋼構 人氣:265發表時間:2020-12-23
              近年來,隨著人們對空間需求的增大和建筑技術的迅速發展,各式各樣的大跨度建筑物不斷涌現。目前大跨度空間結構應用較多的是空間網格結構,網殼結構屬于一種曲面型網格結構,有桿系結構構造簡單和薄殼結構受力合理的特點,其外形優美、受力性能好、經濟性好,施工方便,是一種具有廣闊發展前景的大跨度空間結構形式。柱面網殼結構作為網殼結構形式之一,在封閉式散貨料場領域應用最為廣泛。施工技術是大跨度網架結構設計成果實現的基礎,大跨度網格結構的常用施工方法有高空散裝法、分(條)塊安裝法、高空滑移法、整體提升法。
              
              2  大跨度封閉式柱面網架結構設計
              
              2.1  荷載
              
              2.1.1  恒載
              
              恒載主要包括網架結構自重、檁條、屋面板等上覆材料的自重。
              
              2.1.2  活載
              
              活載主要包括:屋面活荷載、雪荷載、風荷載,溫度作用、地震作用。屋面活荷載、雪荷載根據荷載規范中的規定直接取值。大跨度結構對風荷載效應最為敏感,而我國現行荷載規范中缺乏這類結構體型的設計數據,在實際工程中應由風洞試驗確定。溫度作用應自安裝時的溫度算起,計算最大正溫差和負溫差。地震作用包括水平和豎向地震作用兩大類,在設防烈度為7度的地區,網殼結構可不進行豎向地震作用計算,但必須進行水平抗震計算。
              大跨度網架結構設計
              2.2  結構幾何參數
              
              大跨度柱面網架結構幾何形態設計的內容主要包括矢跨比、網格厚度和網格尺寸。實際結構的設計,應從經濟性和受力性能方面綜合考慮,對網格的厚度和尺寸進行優化設計。
              
              2.3  支承條件和節點設計
              
              網殼結構的支撐方式通常有三種:上弦、下弦和上下弦共同支撐。上弦支撐與下弦支撐相比,內力峰值減少34%,桿件內力分布均勻,因此上弦支承方式在大跨度柱面網架結構中應用較多。支座節點的設計需盡量接近實際的邊界條件,網殼結構中一般采用固定鉸支座,其受力合理、計算模型與實際受力狀況基本一致、用鋼量少。
              
              大跨度網架結構通常采用螺栓球節點,其特點為桿件內只受軸向力,不產生彎矩,且施工速度快,高空作業時,施工質量更容易保障。
              
              3  施工方法
              
              施工方法直接影響工程的質量、進度與造價。大跨度網格結構的常用施工方法有高空散裝法、分(條)塊安裝法、高空滑移法、整體提升法。高空散裝法的高空作業量大,需要過多的材料搭建拼裝平臺;分(條)塊安裝法中分條分塊后的網架結構單元,自身應該具有足夠的剛度,否則應采用臨時的加固措施;高空滑移法可以減少大量的高空作業,保證結構施工質量和安全性;整體提升法的優點是可以保證節點的質量和拼裝的準確性,但對于起重設備的要求較高。
              
              實際工程中,應從工期、場地條件、機械設備、施工技術水平等方面綜合考慮做出經濟合理的選擇。
              
              4  應用實例
              
              4.1  工程概況
              
              本工程為某公司提質改造工程散貨封閉料場,軸線尺寸為470m(長)×110m(寬),矢高44.124m,網格為4.0m(縱向)×4.55(跨度),厚度3.55m,三心圓柱面鋼網殼結構,采用正放四角錐形式,柱腳采用球鉸支座,柱頂標高2.0m。
              
              4.2  設計參數
              
              恒載:0.3kN/m2(包括屋面壓型鋼板、馬道、燈具等吊掛,檁條)?;钶d:0.5kN/m2。風壓:0.45kN/m2(根據以往工程的風洞試驗,并咨詢中國建科院風洞,風洞試驗的結果與荷載規范一致,大部分體型系數比荷載規范小,可以分別按照荷載規范表8.3.1第4、36項選?。?。雪壓:0.7kN/m2(考慮半跨荷載、不均勻分布)(體型系數選自荷載規范表7.2.1第3、10項)。溫度荷載:±30℃。結構安全等級為二級,設計使用年限為50年。建筑抗震設防類別為乙類,抗震設防烈度為7度;設計基本加速度值為0.1g;設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,設計特征周期為0.35s。鋼管:Φ140及以下桿件選用Q235B鋼;Φ140以上桿件選用Q355B鋼。
              
              4.3  設計控制指標
              
              屋頂網殼撓度≤ L /250。風荷載下,網殼頂部相對水平位移≤ H /150。應力比:網架桿件設計應力的取值要求:一般桿件設計應力按規范強度設計。值的90%取值;支座附近的桿件設計應力按規范強度設計值的80%取值。支座以上兩個節間的關鍵受壓桿件:[λ]≤150;其它受壓桿件[λ]≤180;受拉桿:[λ]≤220,關鍵受拉桿件[λ]≤200。
              
              4.4  結構設計分析
              
              本工程采用MSTCAD軟件計算,空間桿系有限元法分析節點位移和桿件內力,節點均按鉸接,桿件按軸心受力構件。驗算結果:(1)結構在最不利組合下的應力比均<0.9;(2)結構跨中豎向撓度在恒+活標準值下為236mm.撓跨比為1/466<1/250;(3)結構跨中水平向位移在恒+風標準值下為260mm.高跨比為1/177<1/150;(4)結構跨中水平向位移在地震標準值下很小.遠遠滿足<1/250要求。
              
              本工程經過結構優化設計最終確定的網架厚度為3.55m,此時最大桿件為219mmX16mm,螺栓球最大直徑為240mm,網架結構桿件總單元數為33456,節點數為8528,螺栓數為48524,網架封閉面積為49275m2,網架最終設計總用鋼量為3594.7t,單位用鋼量為73kg/m2。
              
              4.5  施工
              
              根據三心圓柱面網架的特點,結合工期安排,現場起重設備的性能及施工難易程度等因素,本工程確定采用分條(塊)安裝方法。施工前施工單位進行了嚴謹的施工組織設計和吊裝模擬分析,最終順利完成了網架拼裝工作。
              
             ?。?)大跨度柱面網架結構的設計,風荷載起主要作用,規范中對此類網架結構沒有明確規定,在實際工程中應進行風洞試驗,以提高結構的安全可靠性。(2)應綜合考慮受力性能和經濟性兩個方面的因素,確定大跨度柱面網架結構的幾何參數。(3)實際工程中,應從工期、場地條件、機械設備、施工技術水平等方面綜合考慮做出經濟合理的選擇。(4)大跨度全封閉柱面網架結構形式,可以從根本上解決散貨堆場粉塵外溢、撒漏、揚塵等污染問題,對生態環境的保護有著重要的意義。
            此文關鍵字:網架結構設計
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