一種由STHC鋼柱及新型保溫材料組成的可移動屋蓋體系

趙文艷 陳勻杉 李靜薇

(東北石油大學,黑龍江 大慶 163318)

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一種由STHC鋼柱及新型保溫材料組成的可移動屋蓋體系

趙文艷 陳勻杉 李靜薇

(東北石油大學,黑龍江 大慶 163318)

結合建筑存在的基本問題，對建筑體系進行合理改進，并利用ABAQUS對新型鋼柱STHC的穩定性開展有限元分析，論述該體系的合理性,并提出了相應的設計建議，為今后同類研究提供參考。

可移動屋蓋建筑體系，蘆葦板，矩形鋼管翼緣，工字型蜂窩鋼柱，ABAQUS

0 引言

隨著城市化的迅速發展，城市人口迅速增加，城市土地面積難以滿足現有人口的住房需要。另外，城市化的發展將帶來大量的舊城改造，大規模老舊建筑面臨著拆除。但是大規模建筑拆除必將帶來建筑資源的大量浪費、環境嚴重污染等問題。常規的舊建筑改造大多是在原有基礎上進行加固，重新裝修且額外添加的承重柱多為鋼筋混凝土柱，成本高、施工周期長且不能滿足建筑的多功能變化。而鋼結構建筑質量較輕，強度較高，跨度較大，鋼結構的建筑施工工期較短且鋼結構的建筑移動方便回收無污染，許多房屋和廠房以及對老舊建筑物的加固都開始采用鋼結構形式[1-3]。

本文提出的可移動屋蓋體系正是在老舊廠房的基礎上，利用新型矩形鋼管翼緣的工字型蜂窩鋼柱對其進行合理的改造，形成了一種節約建筑資源且具有多功能轉變的新型建筑體系。該體系不僅施工簡單、施工周期短、成本低且使建筑屋蓋可自由提升，實現建筑的自動增層。另外，本體系采用新型的矩形鋼管翼緣的工字型蜂窩鋼柱，該新型鋼柱在普通工字鋼柱的基礎上將翼緣做成矩形鋼管的形式且將腹板開圓孔做成蜂窩的構造形式。不僅較大的提高了柱子的穩定承載力，還減少了柱子的自重，為該可移動屋蓋體系的實現提供了堅實的基礎。對于普通工字型柱國內外學者已進行了較全面的研究。

本文結合已有建筑存在的問題，對可移動屋蓋建筑體系進行合理闡述，并利用ABAQUS有限元軟件對新型鋼柱STHC的穩定性開展數值分析，論述該體系的合理性。最后，根據仿真分析提出了相應設計建議。

1 可移動外蓋體系介紹

本體系是一種以矩形鋼管翼緣的工字型蜂窩鋼柱(STHC)為基礎的新型結構體系，本體系主要包括可移動屋蓋、矩形鋼管翼緣的工字型蜂窩鋼柱、液壓千斤頂及動力系統、蘆葦保溫板等。其中蘆葦保溫板解決了傳統苯材保溫板重量大、成本高、易燃、壽命低的缺陷以及工業建筑垃圾難以處理和廠房功能適應性差等問題。

具體體系立體模型示意圖見圖1，體系剖面圖見圖2。

1.1 基本組成

本建筑體系主要由三部分組成，即：蘆葦保溫板、矩形鋼管翼緣的H型蜂窩鋼柱、可移動屋蓋體系。

大慶又稱百湖之城，具有大量的湖泊，所以蘆葦產量大。以當地蘆葦為主要原料，不切割粉碎,不添加粘結劑，經加熱擠壓成形,在外表粘貼面紙而成的一種新型建筑保溫，使建筑發揮了良好的保溫性能。蘆葦板生產工藝流程：

原料(蘆葦)→輸送→開束機→輸送→加熱擠壓→覆紙→固化成型→輸送及冷卻→切割機→封邊機→成品。

蘆葦保溫板適應性強，可用于嚴寒地區，主要用于工業基地的廢舊工廠保溫處理技術，材料豐富，價格低廉，技術簡便，能夠獲得最大的經濟效益，節省60%費用。

STHC鋼柱在普通工字鋼柱的基礎上將翼緣做成矩形鋼管的形式且將腹板開圓孔做成蜂窩的構造形式。不僅較大的提高了柱子的穩定承載力，還減少了柱子的自重，為該可移動屋蓋體系的實現提供了堅實的基礎。

STHC鋼柱橫截面圖及立體圖見圖3。

可移動屋蓋體系將屋蓋與STHC鋼柱分離，使屋蓋能沿鋼柱上下滑動，液壓千斤頂置于鋼柱底部，并將液壓千斤頂與外界動力系統連接，液壓千斤頂頂部與屋蓋柱進行連接，形成可移動屋蓋體系。可移動屋蓋體系具體構造見圖2。

1.2 體系應用

1.2.1 觀光別墅

本體系可應用于景區觀光別墅，面向不同家庭情況，進行合理增層。既避免了空間浪費，又可以通過增層別墅實現景區觀光。通過本體系便可利用有效的景區用地，滿足大多數游客居住觀光需求。

1.2.2 植物展覽中心

對于植物展覽中心，隨著植物的生長增高，合理的建筑高度是保證植物正常生長的必然條件。但是簡單的增高建筑高度，難免會形成空間浪費、材料浪費等問題。所以結合本體系的可移動屋蓋體系，可以極好的滿足植物的生長需求。

1.2.3 倉庫

對于傳統倉庫，功能較單一，在失去使用價值之后，多進行拆除和摧毀。而利用本文的可移動屋蓋體系可以隨時調節屋蓋高度，從而滿足各種材料的儲存。

2 STHC鋼柱的穩定承載力分析

2.1 試件設計

以截面形式、約束方式為主要參數，設計了6個試件，具體試件參數及設計原則如表1所示，表中R-1，R-2和R-3分別表示試件約束方式為上端鉸接下端固接、上下兩端鉸接和上端自由下端固接。

表1 試件主要參數與設計原則

2.2 有限元模型建立及驗證

采用ABAQUS有限元軟件[4]建立6個不同形式的工字型蜂窩鋼柱的有限元模型。為進一步考察鋼材的應力分布，采用八節點六面體單元C3D8R模擬鋼板。通過布置種子來實現柱子的網格劃分。柱底約束所有節點的自由度(U1,U2,U3,UR1,UR2和UR3)，模擬固接；柱頂僅約束節點的水平和平面外位移(U1和U2)，豎向和轉角自由，模擬鉸接；柱頂節點無約束模擬自由端。以均布荷載的形式添加豎向荷載。引入幾何初始缺陷(彈性屈曲分析一階模態變形的1/1 000)，采用Riks法開展鋼柱的非線性軸壓分析。

按照上述的建模方法，本文對韓林海[5]于2000開展過試驗的4根鋼管柱進行非線性仿真分析，荷載位移曲線對比見圖4，通過對比可以看出本文的有限元建模方法是可靠的。

2.3 STHC鋼柱的穩定性分析

表2 試件穩定承載力 kN

由于除試件C-5及C-6外，其他試件變形趨勢基本與試件C-3保持一致，所以僅給出試件C-3，C-5及C-6的變形云圖進行表示，見圖5。

由表2可看出，通過對比試件C-1，C-2及C-3可以看出將普通H型鋼柱的翼緣做成矩形鋼管的構造形式可以較好的提高柱子的穩定承載力；對比試件C-3,C-4可以看出將腹板做成蜂窩構造形式可以減小結構自重且對穩定承載力影響很小；對比試件C-3,C-5及C-6可以看出當試件上端鉸接下端固接穩定承載力為3 454.1 kN，上端自由下端固接時為445.1 kN，兩端均鉸接時穩定承載力1 737.9 kN，所以柱頂采用鉸接柱底采用固接時，鋼柱的穩定承載力最大。

3 結語

本文介紹了一種新型的可移動屋蓋體系，本體系結合蘆葦保溫板、可移動屋蓋、STHC鋼柱的優點為一體，為建筑結構多功能的發展提供了基礎。然后以截面形式、約束方式為參數設計11組應 用于該體系的新型矩形鋼管翼緣的H型蜂窩鋼柱模型，利用ABAQUS有限元軟件，引入初始缺陷，考慮雙重非線性，對其進行軸壓性能仿真分析，研究了各參數對該新型蜂窩鋼柱的穩定性及承載性能影響規律。結果表明：柱子兩端的約束條件對于柱子的穩定承載力影響極大，當柱頂采用鉸接柱底固接時，穩定承載力最大；另外，腹板開孔對于柱子的穩定承載力影響較小。

[1] 計 靜，邢 菲，武英杰，等.鋼框架十字型剛性節點滯回性能分析與設計[J].東北石油大學學報，2014,38(1):102-111.

[2] Wenzhong Zheng,Jing JI.Dynamic performance of angle-steel concrete columns under low cyclic loading-I:experimental study[J].EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION,2008,7(1):67-75.

[3] Amr M.I.Sweedan,Khaled M.EI-Sawy.Elastic local buckling of perforated webs of steel cellular beam-colmn elements[J].Journal of Constructional Steel Research,2011,67(1):1115-1127.

[4] 王玉鐲，傅傳國.ABAQUS結構工程分析及實例詳解[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 韓林海.鋼管混凝土結構:理論與實踐[M].北京：科學出版社,2000.

些設計工藝技術資料，并沒有實質性突破性的改進。

A movable roof system composed of STHC steel column and new thermal insulation material

Zhao Wenyan Chen Yunshan Li Jingwei

(NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

This paper makes a rational improvement of the building system, based on the basic problems of the building， the stability of the new steel column STHC is analyzed by ABAQUS and the rationality of the system is discussed, and points out respective design suggestions, so as to provide some reference for similar research in future.

movable roof system, reed board, steel tube flanges, I-shaped honeycomb steel column, ABAQUS

1009-6825(2017)17-0169-03

2017-04-01

趙文艷(1968- ),女,教授

TU201.5

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