網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋在荷載作用下的變形、內(nèi)力特點(diǎn)及參數(shù)影響分析

周燦群 張祥杰

（浙江中材工程設(shè)計(jì)研究院有限公司）

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋在荷載作用下的變形、內(nèi)力特點(diǎn)及參數(shù)影響分析

周燦群1張祥杰2

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本文以筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合某工廠實(shí)例，分析該水泥廠熟料庫網(wǎng)架屋頂?shù)氖芰μ卣?，在荷載作用下網(wǎng)架的受力特點(diǎn)和變形情況，并計(jì)算豎向、溫度荷載等參數(shù)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響。通過工程實(shí)際案例結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，為建設(shè)工程的屋蓋設(shè)計(jì)提供理論參考。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 荷載作用 結(jié)構(gòu)性能

1 工程概況

選取某水泥廠網(wǎng)架屋蓋的熟料庫為研究對(duì)象，對(duì)其整體性能進(jìn)行分析。該水泥廠中熟料庫的直徑為70m，熟料庫屋蓋為圓臺(tái)形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為鋼質(zhì)材料。熟料庫壁面為圓筒結(jié)構(gòu)，壁厚為600mm，網(wǎng)架外徑為70.5 m。按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求，錐面傾角取32°角，錐頂平臺(tái)直徑取13.7m，整體高度為20m。屋頂截面以雙層網(wǎng)架為基礎(chǔ)，其中網(wǎng)格形狀為四角錐形。熟料庫內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境的溫度相差較大，為保持庫內(nèi)恒溫，該工程設(shè)計(jì)了徑向滑動(dòng)支座，網(wǎng)架支座選定為下弦外環(huán)處的18節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)為螺栓球結(jié)構(gòu)，利用高強(qiáng)螺栓將節(jié)點(diǎn)和工程整體進(jìn)行連接?？拐鸱懒叶热?度，溫度差選定為15°，拉鏈機(jī)頭拉力定為360kN，桿件所承受的最大應(yīng)力比應(yīng)控制在0.8范圍內(nèi)。

2 整體性能分析

2.1 網(wǎng)架周期和振型

水泥廠屋頂設(shè)計(jì)時(shí)，荷載和組合分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)的取值應(yīng)按照荷載取值規(guī)范進(jìn)行選取，過程中應(yīng)考慮風(fēng)荷載、溫度荷載、地震荷載等對(duì)組合量的影響，組合后對(duì)網(wǎng)架的周期和振型進(jìn)行分析，得出以下特征：

（1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基本周期為0.32s，與其他網(wǎng)架類型屋蓋結(jié)構(gòu)周期相對(duì)比，該工程網(wǎng)架剛度較大，分析原因可能是由于該鋼架結(jié)構(gòu)承受的活荷載較多，因此，本結(jié)構(gòu)選型時(shí)選用剛度大且截面高度取值偏大；熟料庫錐形網(wǎng)架屬于超靜定結(jié)構(gòu)，這也是導(dǎo)致屋蓋結(jié)構(gòu)剛度較大的原因，而實(shí)踐可知，本設(shè)計(jì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剛度大對(duì)屋蓋設(shè)計(jì)有益。

（2）本結(jié)構(gòu)前兩階的周期、振型基本相同，均是由錐頂帶動(dòng)錐面進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，但錐頂與錐面運(yùn)動(dòng)方向相互垂直。對(duì)支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，在振動(dòng)作用下，支座位置徑向發(fā)生不同程度位移，法向無變化。

（3）第三階振型振動(dòng)方向?yàn)樨Q向振動(dòng)，振動(dòng)周期略低于前兩階，支座受到壓力作用發(fā)生向外的變形，變形量基本一致，發(fā)生變形現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

（4）四、五、六階振型均為高階振型，周期較前者均有減小，但減小的幅度不大，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)振型較為接近密集，現(xiàn)階段，網(wǎng)架或網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)振型特點(diǎn)與該結(jié)構(gòu)類似。

2.2 網(wǎng)架豎向變形、內(nèi)力特征

（1）結(jié)構(gòu)在豎向荷載的作用下，熟料庫屋蓋的錐面和錐頂均產(chǎn)生一定撓度，徑向的水平位移隨著徑向距離的延伸向周邊擴(kuò)大。經(jīng)測定，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在豎向荷載的作用下?lián)隙茸畲筇幊霈F(xiàn)在錐頂平臺(tái)上，為19.34mm，水平形變量為8.71mm。豎向活荷載產(chǎn)生的撓度最大處也為錐頂平臺(tái)上，其數(shù)值為13.77mm，水平形變量為6.42mm。網(wǎng)架的豎向和水平變形量均在變形限值要求內(nèi)，可達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

（2）本結(jié)構(gòu)中豎向恒荷載較大，在恒荷載作用下，網(wǎng)架內(nèi)部受力比活荷載產(chǎn)生的作用大，在網(wǎng)架各結(jié)構(gòu)中，活荷載和恒荷載產(chǎn)生的作用平均分布于各結(jié)構(gòu)，按比例變化。

經(jīng)檢測，庫房頂面18個(gè)支座豎向反力值相同，由此說明頂面結(jié)構(gòu)基本中心對(duì)稱，剛度值也基本相等，因此在屋頂受到的荷載能夠均勻分配到各支座。各支座間水平方向的反力為0，因此，豎向荷載作用下，各支座不受到法向反力的作用。

3 關(guān)鍵參數(shù)影響分析

3.1 溫度荷載影響

溫度荷載的變化不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)力變化，因此本結(jié)構(gòu)中溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移和受力影響較小，但對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移影響較大，具體見下圖1所示，圖1是水平位移量隨溫度荷載變化的曲線關(guān)系圖，從圖中可以看出，溫差與水平位移變化呈線性關(guān)系，當(dāng)溫差升高到I50℃時(shí)，位移最大量達(dá)到84 mm，當(dāng)拉鏈機(jī)頭荷載不相同時(shí)，溫度差值變化對(duì)最大水平位移量影響不大，即下圖1所示，四根曲線基本重合。

圖1 溫差與最大水平位移變化關(guān)系

3.2 地震荷載影響

在拉鏈機(jī)頭斜向力相同、設(shè)防烈度不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果顯示地震作用對(duì)用鋼量沒有顯著影響，對(duì)結(jié)果的周期和位移情況也沒有影響。選取兩種設(shè)防烈度進(jìn)行比較，網(wǎng)架的截面均無變化，由此推斷地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)影響關(guān)系不大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中不作為主要影響因素進(jìn)行分析。

3.3 支座數(shù)量影響

該工程網(wǎng)架共有72個(gè)節(jié)點(diǎn)，為保持均勻分配則將網(wǎng)架支座數(shù)量分別設(shè)定為12，18，24和36個(gè)，構(gòu)建模型進(jìn)行分析計(jì)算，桿件內(nèi)力和位移情況與支座數(shù)量均呈反比，且變化趨勢基本相同，均隨著支座數(shù)量的增加而逐漸減少，但變化趨勢為非線性關(guān)系，隨著支座數(shù)量增加速度的降低，各指標(biāo)變化也逐漸減少。由此可見，支座數(shù)量是影響結(jié)構(gòu)受力的重要因素，但其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響將隨著支座數(shù)量的增加而逐漸減緩，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響效果逐漸下降。

對(duì)該結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進(jìn)行分析表明，設(shè)置18個(gè)支座時(shí)結(jié)構(gòu)各指標(biāo)量最佳，支座數(shù)量不多，施工操作方便，而結(jié)構(gòu)桿件受力情況、位移等指標(biāo)均可達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

綜上所述，本文主要得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，網(wǎng)架最外環(huán)拉力最大，應(yīng)重點(diǎn)分析該處拉力情況是否滿足設(shè)計(jì)要求，在工程承受荷載較大的情況下，外環(huán)桿件橫截面積應(yīng)較大，可能導(dǎo)致超出螺栓直徑范圍，設(shè)計(jì)上比較困難。本文針對(duì)實(shí)際工程情況分析發(fā)現(xiàn)，增加與外環(huán)相鄰的內(nèi)環(huán)桿件能夠分擔(dān)外環(huán)桿件受力，有助于減小外環(huán)桿件尺寸。

（2）本工程選定網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對(duì)支座的設(shè)計(jì)，選擇滑動(dòng)式支座，有助于結(jié)構(gòu)散熱。

（3）在設(shè)計(jì)工作中，除應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求外，還應(yīng)考慮施工環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等因素影響。

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1007–6344（2015）01–0327–01