劉 娟,楊 寧,2,孫 韜,3
(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑建造學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266590;3.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 徐州 221116)
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因?yàn)槭芰侠?、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,造型既輕巧靈活又能適應(yīng)堆煤取料機(jī)(斗輪機(jī))的工藝界面,被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)煤倉(cāng)等工程中。通常情況下,球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力較均勻,傳力路徑簡(jiǎn)單明確,便于設(shè)計(jì)和施工。但是,當(dāng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)開有孔洞時(shí),原有的傳力路徑被破壞,開設(shè)的不對(duì)稱孔洞將對(duì)結(jié)構(gòu)各方面性能產(chǎn)生不利影響。國(guó)內(nèi)已有較多的開門洞網(wǎng)殼實(shí)例,其構(gòu)造措施也較完善,研究成果不少,但是針對(duì)在網(wǎng)殼其他位置開設(shè)孔洞的研究尚少,且對(duì)落地開孔網(wǎng)殼的優(yōu)化研究較匱乏。因此,應(yīng)用ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)進(jìn)行編程,保持網(wǎng)殼跨度不變,以結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù),以網(wǎng)殼矢高、網(wǎng)殼厚度和桿件截面為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并分析各因素對(duì)用鋼指標(biāo)的影響規(guī)律和影響程度,便于此類網(wǎng)殼施工時(shí)采取安全合理的構(gòu)造措施。
某火力發(fā)電廠干煤棚結(jié)構(gòu)形式為雙層正放四角錐球面網(wǎng)殼,根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,網(wǎng)殼側(cè)部開有孔洞,見圖1。工程基本信息如下:跨度87.00 m,厚度2.71 m,矢高29.21 m,上弦設(shè)置17 環(huán),下弦設(shè)置18 環(huán),上弦網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在第2、4、7 環(huán)進(jìn)行加密,加密形式為“1 分2”,最外環(huán)節(jié)點(diǎn)數(shù)為72。網(wǎng)格劃分情況見圖1 ~圖5 及表1。采用固定鉸支座隔點(diǎn)布置方式,共計(jì)36 個(gè)。網(wǎng)殼支承結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土獨(dú)立柱,柱截面尺寸為400 μm×600 μm,柱高10 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。桿件選用GB700[1]中 的Q235B 鋼,?48×3.5、?60×3.5、?75.5×3.75、?88.5×4、?114×4、?140×4、?159×6 和?168×6 八種截面。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),重要性系數(shù)取1.0。
圖1 模型俯視圖
圖2 模型側(cè)視圖
表1 網(wǎng)格劃分列表
孔洞開設(shè)在第10 環(huán)和11 環(huán),徑向和環(huán)向各跨越兩排桿件,在上弦占據(jù)九個(gè)網(wǎng)格,在下弦占據(jù)12個(gè)網(wǎng)格,見圖3、圖4。其水平投影面積(網(wǎng)殼上弦)為58.71 m2,洞口切平面投影面積(網(wǎng)殼上弦)為75.28 m2,孔洞投影尺寸見圖5。
圖3 上弦俯視圖
圖4 下弦俯視圖
圖5 孔洞切面投影(mm)
(1)按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.1.4 條“分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)時(shí),假定節(jié)點(diǎn)為鉸接,桿件只承受軸向力”[2],故本網(wǎng)殼工程在建模時(shí)假定所有桿件均為純鉸接桿,所有節(jié)點(diǎn)均為空間鉸接節(jié)點(diǎn),由此桿件只承受軸力,并按彈性階段進(jìn)行分析。
(2)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的荷載均按靜力等效原則化為作用于節(jié)點(diǎn)上的集中荷載。
(3)采用LINK8 單元模擬[3],該單元只承受軸力,不承受彎矩,每個(gè)桿端三個(gè)自由度。
網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分析用阻尼比取0.03。本網(wǎng)殼桿件均采用Q235B 圓形鋼管,控制鋼管壁厚≤16 mm,鋼材的機(jī)械性能參數(shù)均按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017[4]取值。模型計(jì)算時(shí)按照控制應(yīng)力比0.9 控制桿件截面,最小截面取?48×3,桿件截面由程序自動(dòng)優(yōu)選。網(wǎng)殼的支座豎向采用固定約束,即豎向剛度取無(wú)限大,水平兩方向均采用彈性約束,其中彈簧剛度取值參考文獻(xiàn)[5]的分析結(jié)果,取為2k N/mm[5]。根據(jù)本網(wǎng)殼實(shí)際及《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定,建模時(shí)考慮自重、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載、地震荷載等荷載,并按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012[6]進(jìn)行規(guī)范取值與荷載組合。
空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常以結(jié)構(gòu)自重(即用鋼量)最小作為目標(biāo)函數(shù),而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要問題,故對(duì)網(wǎng)殼優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)須對(duì)其穩(wěn)定性加以校驗(yàn)[7]。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算過程中,不改變網(wǎng)殼的跨度、網(wǎng)格布置和荷載情況,取鋼管外直徑D 和壁厚t、網(wǎng)殼矢高F 和網(wǎng)殼厚度h 為設(shè)計(jì)變量,利用ANSYS 優(yōu)化模塊,編寫優(yōu)化程序,進(jìn)行100 次計(jì)算循環(huán),得到以用鋼指標(biāo)最小為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。
設(shè)計(jì)變量
滿足約束條件
使目標(biāo)函數(shù)
式(2)中由p 個(gè)不等式約束和q 個(gè)等式約束規(guī)定了問題的可行域。
用最優(yōu)化方法求得一組設(shè)計(jì)變量
上式即為一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,稱為最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn),對(duì)應(yīng)一個(gè)最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值
最優(yōu)點(diǎn)和最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值兩者構(gòu)成了一個(gè)優(yōu)化問題的最優(yōu)解。
2.3.1 設(shè)計(jì)變量
有限元軟件ANSYS 優(yōu)化模塊最多可設(shè)定20個(gè)設(shè)計(jì)變量[9],結(jié)合本工程實(shí)際情況,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中,共設(shè)置18 個(gè)設(shè)計(jì)變量,即:
(1)球面網(wǎng)殼的矢高F1,12.5 m ≤F1≤29.2 m。
(2)桿件外直徑D2,D3,…,D9,50 mm ≤Di≤168 mm,i=2,…,9。
(3)桿件壁厚t10,t11,…,t17,3 mm ≤tj≤10 mm,j=10,…,17。
(4)網(wǎng)殼厚度h18,1.45 m ≤h18≤2.9 m。
2.3.2 目標(biāo)函數(shù)
實(shí)際工程中往往將重量最輕或成本最低作為“最優(yōu)設(shè)計(jì)”的標(biāo)準(zhǔn)[10-11],故本工程將以桿件用鋼指標(biāo)最小為目標(biāo)函數(shù)。
2.3.3 約束條件
約束條件又稱為“狀態(tài)變量”,是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量所加的各種限制。本網(wǎng)殼在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了以下約束條件:
(1)網(wǎng)殼最大撓度
(2)桿件強(qiáng)度約束條件
(3)桿件最小截面和壁厚限制
雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件最小截面,參照現(xiàn)行的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ61-2003 規(guī)定,取?50×3,即:
在優(yōu)化計(jì)算中的兩點(diǎn)說明如下:
(1)計(jì)算時(shí)考慮滿跨均布荷載作用,且采用以活荷載控制下的荷載組合工況。
(2)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)除桿件外的其他構(gòu)件總質(zhì)量為71 898 kg,包括螺栓球、螺栓、封板、錐頭的質(zhì)量。
圖6 為本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)各桿件截面的數(shù)量,優(yōu)化過程僅改變了各桿件的截面面積,而并未改變各桿件截面所占有的比例。
圖6 各桿件截面的桿件數(shù)量
表2 為優(yōu)化前后桿件截面變化情況。由表可以看出,桿件外徑有明顯增加,5~8 號(hào)桿件壁厚明顯增大。在表3 中列出了優(yōu)化前后截面面積的變化情況及目標(biāo)函數(shù)值,優(yōu)化后1~4 號(hào)桿件截面面積明顯減小,而5~8 號(hào)桿件截面呈現(xiàn)增大的情況,但是由于本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中有90%以上桿件采用的是1~4 號(hào)桿件截面,因此,即使5~8 號(hào)桿件截面面積有所增大,結(jié)構(gòu)的總用鋼指標(biāo)仍有明顯下降。與原網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比較,網(wǎng)殼厚度減小0.9 m,網(wǎng)殼矢高減小3.3 m。優(yōu)化后網(wǎng)殼桿件用鋼指標(biāo)為38.3 kg/m2,約為原網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的71.6%,節(jié)省鋼材28.4%。由此可見,通過優(yōu)化循環(huán)計(jì)算本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件用鋼指標(biāo)有明顯減小,達(dá)到了優(yōu)化的目的。
表2 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后對(duì)照
表3 設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化前后對(duì)照
應(yīng)力比既能反映桿件強(qiáng)度的利用程度,同時(shí)也反映了結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。圖7 為優(yōu)化前后桿件應(yīng)力比變化直方圖??梢钥闯?,應(yīng)力比為0.1 和0.2的桿件數(shù)量有明顯減小,應(yīng)力比在0.3~0.7 之間的桿件數(shù)量有明顯增加,這表明優(yōu)化后網(wǎng)殼桿件強(qiáng)度得到了更加充分地發(fā)揮,有利于節(jié)省用鋼量。
圖7 優(yōu)化前后桿件應(yīng)力分布比較
表4 為優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量與約束變量值。為驗(yàn)證ANSYS 優(yōu)化程序的桿件穩(wěn)定分析結(jié)果,將優(yōu)化后的桿件截面定義到原模型,然后按照原工程荷載條件進(jìn)行靜力計(jì)算,得到各代號(hào)桿件截面類型中最大壓應(yīng)力絕對(duì)值σ(見表4),根據(jù)表4 中各桿件截面尺寸計(jì)算出λ值,再計(jì)算出穩(wěn)定系數(shù)值φ,最后計(jì)算軸心壓桿穩(wěn)定允許應(yīng)力σj。計(jì)算結(jié)果列于表4 中,各截面壓桿最大應(yīng)力均在允許穩(wěn)定強(qiáng)度范圍之內(nèi),同時(shí)桿件的局部穩(wěn)定條件β最大值為18.6,小于限值100;網(wǎng)殼最大撓度為62.4 mm,未超過允許撓度限值217 mm。由此可以證實(shí),ANSYS優(yōu)化結(jié)果能夠滿足網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的壓桿穩(wěn)定要求、長(zhǎng)細(xì)比要求和桿件局部穩(wěn)定要求,是一種能夠得到滿意結(jié)果的優(yōu)化工具,優(yōu)化結(jié)果有效可信。
表4 與優(yōu)化結(jié)果相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量和約束變量
利用ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)進(jìn)行編程,保持網(wǎng)殼跨度不變,以結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù),分別以網(wǎng)殼矢高、厚度和桿件截面為設(shè)計(jì)變量,優(yōu)化過程中約束條件和作用荷載同前,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并分析各因素對(duì)用鋼指標(biāo)的影響。
表5 和表6 是優(yōu)化前后桿件截面面積和用鋼指標(biāo)情況。與原網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比較,桿件外徑有明顯減小,桿件壁厚有明顯增大。在表6 中可以看到,與整體優(yōu)化結(jié)果相類似,優(yōu)化后1 ~4 號(hào)和8 號(hào)桿件截面面積明顯減小,5 ~7 號(hào)桿件截面呈現(xiàn)增大的情況。優(yōu)化后網(wǎng)殼用鋼指標(biāo)為43.3 kg/m2,約為原網(wǎng)殼工程的80.9%,節(jié)省鋼材19.1%。優(yōu)化后網(wǎng)殼撓度為61.3 mm,滿足最大撓度要求。
表5 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后對(duì)照
表6 設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化前后對(duì)照
表7 為優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量與約束變量值。表中列出了優(yōu)化后各桿件編號(hào)對(duì)應(yīng)的桿件截面尺寸,將優(yōu)化后的桿件截面定義到原模型進(jìn)行靜力計(jì)算,得到各代號(hào)桿件截面類型中最大壓應(yīng)力絕對(duì)值σ(見表7),根據(jù)表7 中各桿件截面尺寸依次計(jì)算出λ值、穩(wěn)定系數(shù)φ和軸心壓桿穩(wěn)定允許應(yīng)力σj。計(jì)算結(jié)果見表7,各截面壓桿最大應(yīng)力均在允許強(qiáng)度范圍之內(nèi),再次說明ANSYS 優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠滿足桿件穩(wěn)定性要求。
表7 與優(yōu)化結(jié)果相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量和約束變量
保持網(wǎng)殼跨度L、厚度h、荷載組合不變,設(shè)置一組網(wǎng)殼矢高(見表8),取網(wǎng)殼桿件截面參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,對(duì)不同矢高的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)值(見表8),并根據(jù)表8 的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果繪制矢高對(duì)用鋼量的關(guān)系曲線圖,見圖8 所示。
圖8 不同矢高與對(duì)應(yīng)用鋼指標(biāo)關(guān)系曲線
表8 不同矢高下網(wǎng)殼各約束變量值及用鋼指標(biāo)
由表8 可知,當(dāng)網(wǎng)殼矢高為28 m 時(shí),得到的目標(biāo)函數(shù)值最小,此時(shí)用鋼指標(biāo)為42.9 kg/m2,約為原網(wǎng)殼工程的80.2%,節(jié)省鋼材19.8%。由圖8 可 以 看 出,當(dāng)13 m <F ≤22 m 時(shí),隨 著網(wǎng)殼矢高增大,用鋼指標(biāo)呈現(xiàn)出明顯減??;當(dāng)22 m <F ≤30 m 時(shí),網(wǎng)殼用鋼指標(biāo)基本保持不變,在43.5 kg/m2左右波動(dòng)。由此可以得出結(jié)論:在網(wǎng)殼網(wǎng)格劃分形式、跨度、荷載保持不變的情況下,矢高22 m 為臨界值,即當(dāng)矢高小于22 m 時(shí),網(wǎng)殼桿件用鋼指標(biāo)隨著矢高增加而減?。划?dāng)22 m<F≤30 m 矢高時(shí),網(wǎng)殼桿件用鋼指標(biāo)基本不變。
保持網(wǎng)殼跨度L、矢高F、荷載不變,設(shè)置一組網(wǎng)殼厚度(見表9),取桿件截面參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,分別對(duì)不同厚度網(wǎng)殼模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)值,并根據(jù)表9 的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果繪制網(wǎng)殼厚度對(duì)用鋼量的關(guān)系曲線圖,見圖9 所示。
由表9 可知,當(dāng)網(wǎng)殼厚度為1.5 m 時(shí),即規(guī)范要求的最小厚度,該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)最小,為38.9 kg/m2,約為原網(wǎng)殼工程的72.7%,節(jié)省鋼材27.3%。由圖9 可以看出,當(dāng)網(wǎng)殼厚度1.5 m<h ≤2.1 m 時(shí),隨著網(wǎng)殼厚度的增大,結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)有一定程度增加,但是增加速度比較緩慢,增長(zhǎng)范圍在38.9~39.9 kg/m2之間。當(dāng)網(wǎng)殼厚度2.1 m<h ≤2.9 m 時(shí),桿件用鋼指標(biāo)有較明顯增加,增長(zhǎng)范圍在39.9~41.1 kg/m2之間。由此可以得出結(jié)論:在網(wǎng)殼網(wǎng)格劃分形式、跨度、矢高、荷載保持不變的情況下,隨著網(wǎng)殼厚度的增大,網(wǎng)殼桿件用鋼指標(biāo)呈遞增趨勢(shì),當(dāng)網(wǎng)殼厚度大于2.1 m 時(shí),用鋼指標(biāo)增加迅速。
表9 不同厚度下網(wǎng)殼各約束變量值及用鋼指標(biāo)
圖9 網(wǎng)殼厚度對(duì)網(wǎng)殼用鋼指標(biāo)的影響
保持網(wǎng)殼網(wǎng)格劃分形式、跨度L、矢高F、厚度h 不變,設(shè)置一組荷載值(見表10),均滿跨布置,取桿件截面尺寸為設(shè)計(jì)變量,分別對(duì)不同荷載大小作用下網(wǎng)殼模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)值(見表10),并根據(jù)表10 的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果繪制荷載對(duì)網(wǎng)殼用鋼量的關(guān)系曲線圖,見圖10 所示。
圖10 外荷載對(duì)網(wǎng)殼用鋼指標(biāo)的影響
表10 不同荷載作用下網(wǎng)殼各約束變量值及用鋼指標(biāo)
由圖10 可以看出,隨著網(wǎng)殼作用荷載增大,桿件用鋼指標(biāo)逐漸遞增,且增長(zhǎng)速度均勻,采用直線公式擬合,得下式:
式中C 為用鋼指標(biāo),x 為荷載大小,在表10 中各荷載作用下,擬合值及誤差值見表11。
表11 公式擬合值及誤差
由表11 可知,對(duì)于本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),在網(wǎng)殼網(wǎng)格劃分形式、跨度、矢高、荷載保持不變的情況下,隨著荷載值增加,其用鋼指標(biāo)基本呈線性遞增變化。
通過對(duì)開孔洞雙層球面網(wǎng)殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并深入分析網(wǎng)殼矢高、厚度和桿件截面對(duì)用鋼指標(biāo)的影響,得出以下結(jié)論:
(1)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,網(wǎng)殼用鋼指標(biāo)明顯降低,約為原網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的71.6%,節(jié)省鋼材28.4%,并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定承載驗(yàn)算,優(yōu)化后的網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性均滿足要求。
(2)當(dāng)網(wǎng)殼矢高13 m <F ≤22 m 時(shí),隨著網(wǎng)殼矢高增大,用鋼指標(biāo)明顯減小;網(wǎng)殼矢高22 m<F ≤30 m 時(shí),網(wǎng)殼用鋼指標(biāo)基本保持不變。
(3)當(dāng)網(wǎng)殼厚度1.5 m <h ≤2.1 m 時(shí),隨著網(wǎng)殼厚度增大,用鋼指標(biāo)增加速度比較緩慢;當(dāng)網(wǎng)殼厚度2.1 m <h ≤2.9 m 時(shí),桿件用鋼指標(biāo)有較明顯增加。
(4)在滿跨均布荷載作用下,隨著荷載的增大,本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)明顯增加,二者基本呈線性關(guān)系變化,采用線性公式進(jìn)行擬合,結(jié)果比較理想。
(5)比較目標(biāo)函數(shù)的各影響因素,本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)對(duì)網(wǎng)殼厚度變化最為敏感,桿件截面面積變化的影響次之,矢高變化對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼指標(biāo)影響最小。