濃縮車間單層球面鋁合金封閉網殼結構強度計算

謝新兵 蔡京福

【摘 ?要】本文介紹了37m跨度濃縮車間封閉網殼結構采用單層球面鋁合金結構，依據設計條件和荷載條件，對鋁合金網殼結構分別進行靜力性能分析、動力性能分析、穩定性能分析，得出了鋁合金網殼結構具有良好的靜力變形性能，桿件強度足夠滿足設計要求，結構桿件具有較高的安全度，結構由整體穩定性能控制，滿足網殼規范的相關要求。

1 概 述

鋁合金具有良好的力學性能及抗腐蝕性，應用于封閉網殼結構中能夠產生珠聯璧合的效果。[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殼項目結構強度設計計算。

本工程網殼結構材料為全鋁合金材料，合金牌號6061，T6狀態。根據《鋁合金結構設計規范》GB50429-2007的相關規定，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，熱影響區范圍內材料強度折減系數0.5。[2]

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

2計算依據

項目計算依據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）、《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）、《鋁合金結構設計規范》（GB 50429 - 2007）、《網殼結構技術規程》（JGJ61-2003）等相關規范。[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、結構骨架自重（由程序自動計算）;活荷載：0.5 kN/m2;

2）風荷載：基本風壓根據荷載規范取榆林市50年一遇基本風壓wo=0.40 kN/m2，風振系數根據經驗取1.5，風壓高度變化系數（地面粗糙度B類根據屋蓋頂離地面最大距離12.08 m）取為1.1，風荷載體型系數根據荷載規范旋轉殼頂結構進行計算，結構均承受風吸作用，體型系數取最大值-1.0，則風荷載最大值為0.66 kN/m2。

3）雪荷載：基本雪壓根據荷載規范取榆林市50年一遇基本雪壓s0=0.25 kN/m2，積雪分布系數取1.0，根據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

結構采用鋁合金單層網殼結構體系，結構上部6層采用凱威特型網格，底2層采用聯方型網格，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，單層網殼節點按照規范假定為剛性節點，框架結構總重為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換，使得轉換后的截面特性與實際截面特性保持一致，轉換后的截面尺寸參數如圖4所示。

4 靜力性能分析

4.1.結構變形

由表1可知結構最大豎向位移為50.79 mm，約為跨度的1/728，滿足鋁合金結構設計規范1/300的要求，風荷載和地震作用下的最大水平側移為5.14 mm，約為高度的1/1030，滿足抗震規范1/300的要求，因此結構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構桿件應力分布如圖5所示。由圖5知，結構應力的絕對值最大約為90 MPa，滿足規范要求。

4.3 桿件穩定性

根據網殼結構技術規程取結構桿件強平面內的計算長度系數為1.6，弱軸平面內的計算長度系數為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，桿件具有較高的穩定性。

5 穩定性分析

采用特征值屈曲進行結構的穩定性分析，按照《空間網格結構技術規程》，球面網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構的材料非線性，不考慮結構的幾何非線性。采用有限元分析軟件ANSYS計算得到前6階屈曲模態，前6階特征值如表3所示。

總體來看，結構的特征值屈曲因子大于4.2，結構整體穩定性較好。

6 結論

通過以上詳細分析，可以得出如下結論：

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

（2）桿件強度足夠，最大應力僅有90 MPa。

（3）結構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）結構由整體穩定性能控制，結構的特征值屈曲因子大于4.2，結構整體穩定性較好。

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殼結構的研究[J].建筑科學，2000，16（5）.

[2] 卜宜都.曹妃甸儲煤倉鋁合金網殼結構分析[D].天津大學，2014.

[3] 施明哲，吳明兒.雙向網格鋁合金索支撐單層球面網殼結構的彈塑性穩定性分析[C]// 第十五屆全國現代結構工程學術研討會.

（作者單位：山東博潤工業技術股份有限公司）