濃縮車間單層球面鋁合金封閉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)強度計算

謝新兵 蔡京福

【摘 ?要】本文介紹了37m跨度濃縮車間封閉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用單層球面鋁合金結(jié)構(gòu)，依據(jù)設計條件和荷載條件，對鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分別進行靜力性能分析、動力性能分析、穩(wěn)定性能分析，得出了鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有良好的靜力變形性能，桿件強度足夠滿足設計要求，結(jié)構(gòu)桿件具有較高的安全度，結(jié)構(gòu)由整體穩(wěn)定性能控制，滿足網(wǎng)殼規(guī)范的相關(guān)要求。

1 概 述

鋁合金具有良好的力學性能及抗腐蝕性，應用于封閉網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中能夠產(chǎn)生珠聯(lián)璧合的效果。[1]考慮項目位于陜西榆林市，風載荷和雪載荷較大，對37m跨度、5.3m矢高濃縮車間單層球面鋁合金封閉網(wǎng)殼項目結(jié)構(gòu)強度設計計算。

本工程網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)材料為全鋁合金材料，合金牌號6061，T6狀態(tài)。根據(jù)《鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB50429-2007的相關(guān)規(guī)定，本工程采用鋁合金材料的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值f=200N/mm2，抗剪強度設計值fv=115N/mm2，局部承壓強度設計值fce=205N/mm2，熱影響區(qū)范圍內(nèi)材料強度折減系數(shù)0.5。[2]

采用Midas730有限元分析軟件，充分考慮全鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點特性及材料特性建立穹頂倉鋁網(wǎng)殼的計算模型，該網(wǎng)殼為單層網(wǎng)殼，桿件均采用H型截面。

2計算依據(jù)

項目計算依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）、《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）、《鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50429 - 2007）、《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ61-2003）等相關(guān)規(guī)范。[3]

項目荷載取值如下：

1）恒荷載：蒙皮（厚度1.27 mm）自重取0.25 kN/m2、結(jié)構(gòu)骨架自重（由程序自動計算）;活荷載：0.5 kN/m2;

2）風荷載：基本風壓根據(jù)荷載規(guī)范取榆林市50年一遇基本風壓wo=0.40 kN/m2，風振系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗取1.5，風壓高度變化系數(shù)（地面粗糙度B類根據(jù)屋蓋頂離地面最大距離12.08 m）取為1.1，風荷載體型系數(shù)根據(jù)荷載規(guī)范旋轉(zhuǎn)殼頂結(jié)構(gòu)進行計算，結(jié)構(gòu)均承受風吸作用，體型系數(shù)取最大值-1.0，則風荷載最大值為0.66 kN/m2。

3）雪荷載：基本雪壓根據(jù)荷載規(guī)范取榆林市50年一遇基本雪壓s0=0.25 kN/m2，積雪分布系數(shù)取1.0，根據(jù)計算雪荷載小于屋面活荷載，計算時取屋面活荷載作為活載，雪荷載為半跨。

4）溫度荷載：升溫36.9℃，降溫26℃;

5）地震作用：府谷縣設防烈度為6度，設計基本加速度值為0.05g。

3 計算模型

結(jié)構(gòu)采用鋁合金單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)上部6層采用凱威特型網(wǎng)格，底2層采用聯(lián)方型網(wǎng)格，跨度37 m，矢高為5.3 m，如圖1、2所示。共有36個固定鉸接支座，單層網(wǎng)殼節(jié)點按照規(guī)范假定為剛性節(jié)點，框架結(jié)構(gòu)總重為5.3844 t。鋁合金桿件采用工字型鋁型材，其桿件截面形狀如圖3所示，計算時對截面進行轉(zhuǎn)換，使得轉(zhuǎn)換后的截面特性與實際截面特性保持一致，轉(zhuǎn)換后的截面尺寸參數(shù)如圖4所示。

4 靜力性能分析

4.1.結(jié)構(gòu)變形

由表1可知結(jié)構(gòu)最大豎向位移為50.79 mm，約為跨度的1/728，滿足鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范1/300的要求，風荷載和地震作用下的最大水平側(cè)移為5.14 mm，約為高度的1/1030，滿足抗震規(guī)范1/300的要求，因此結(jié)構(gòu)具有良好的靜力變形性能。

4.2 桿件應力

包絡工況下鋁合金結(jié)構(gòu)桿件應力分布如圖5所示。由圖5知，結(jié)構(gòu)應力的絕對值最大約為90 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.3 桿件穩(wěn)定性

根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程取結(jié)構(gòu)桿件強平面內(nèi)的計算長度系數(shù)為1.6，弱軸平面內(nèi)的計算長度系數(shù)為0.9，驗算所有承載力荷載組合工況下各桿件的應力比。各桿件的應力比如圖7所示，最大應力比為0.85，桿件具有較高的穩(wěn)定性。

5 穩(wěn)定性分析

采用特征值屈曲進行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，球面網(wǎng)殼的全過程分析可按滿跨均布荷載進行，故取荷載模式為1.0倍恒荷載+1.0滿跨活載，計算過程中不考慮結(jié)構(gòu)的材料非線性，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。采用有限元分析軟件ANSYS計算得到前6階屈曲模態(tài)，前6階特征值如表3所示。

總體來看，結(jié)構(gòu)的特征值屈曲因子大于4.2，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。

6 結(jié)論

通過以上詳細分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)具有良好的靜力變形性能。結(jié)構(gòu)最大豎向位移為50.79 mm，約為短跨跨度的1/728，滿足鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范1/300的要求，風荷載和地震作用下的最大水平側(cè)移為5.14 mm，約為高度的1/1030，滿足抗震規(guī)范1/300的要求。

（2）桿件強度足夠，最大應力僅有90 MPa。

（3）結(jié)構(gòu)桿件具有較高的安全度，大部分桿件的應力比在0.5以下，最大為0.85;

（4）結(jié)構(gòu)由整體穩(wěn)定性能控制，結(jié)構(gòu)的特征值屈曲因子大于4.2，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。

參考文獻：

[1] 錢基宏，趙鵬飛，郝成新，et al.大跨度鋁合金穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究[J].建筑科學，2000，16（5）.

[2] 卜宜都.曹妃甸儲煤倉鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分析[D].天津大學，2014.

[3] 施明哲，吳明兒.雙向網(wǎng)格鋁合金索支撐單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的彈塑性穩(wěn)定性分析[C]// 第十五屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學術(shù)研討會.

（作者單位：山東博潤工業(yè)技術(shù)股份有限公司）