浓缩车间单层球面铝合金封闭网壳结构强度计算

2019-09-10谢新兵蔡京福

科学导报·科学工程与电力 2019年16期

谢新兵蔡京福

【摘要】本文介绍了37m跨度浓缩车间封闭网壳结构采用单层球面铝合金结构，依据设计条件和荷载条件，对铝合金网壳结构分别进行静力性能分析、动力性能分析、稳定性能分析，得出了铝合金网壳结构具有良好的静力变形性能，杆件强度足够满足设计要求，结构杆件具有较高的安全度，结构由整体稳定性能控制，满足网壳规范的相关要求。

1 概述

铝合金具有良好的力学性能及抗腐蚀性，应用于封闭网壳结构中能够产生珠联璧合的效果。[1]考虑项目位于陕西榆林市，风载荷和雪载荷较大，对37m跨度、5.3m矢高浓缩车间单层球面铝合金封闭网壳项目结构强度设计计算。

本工程网壳结构材料为全铝合金材料，合金牌号6061，T6状态。根據《铝合金结构设计规范》GB50429-2007的相关规定，本工程采用铝合金材料的抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=200N/mm2，抗剪强度设计值fv=115N/mm2，局部承压强度设计值fce=205N/mm2，热影响区范围内材料强度折减系数0.5。[2]

采用Midas730有限元分析软件，充分考虑全铝合金网壳结构的节点特性及材料特性建立穹顶仓铝网壳的计算模型，该网壳为单层网壳，杆件均采用H型截面。

2计算依据

项目计算依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）、《铝合金结构设计规范》（GB 50429 - 2007）、《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003）等相关规范。[3]

项目荷载取值如下：

1）恒荷载：蒙皮（厚度1.27 mm）自重取0.25 kN/m2、结构骨架自重（由程序自动计算）;活荷载：0.5 kN/m2;

2）风荷载：基本风压根据荷载规范取榆林市50年一遇基本风压wo=0.40 kN/m2，风振系数根据经验取1.5，风压高度变化系数（地面粗糙度B类根据屋盖顶离地面最大距离12.08 m）取为1.1，风荷载体型系数根据荷载规范旋转壳顶结构进行计算，结构均承受风吸作用，体型系数取最大值-1.0，则风荷载最大值为0.66 kN/m2。

3）雪荷载：基本雪压根据荷载规范取榆林市50年一遇基本雪压s0=0.25 kN/m2，积雪分布系数取1.0，根据计算雪荷载小于屋面活荷载，计算时取屋面活荷载作为活载，雪荷载为半跨。

4）温度荷载：升温36.9℃，降温26℃;

5）地震作用：府谷县设防烈度为6度，设计基本加速度值为0.05g。

3 计算模型

结构采用铝合金单层网壳结构体系，结构上部6层采用凯威特型网格，底2层采用联方型网格，跨度37 m，矢高为5.3 m，如图1、2所示。共有36个固定铰接支座，单层网壳节点按照规范假定为刚性节点，框架结构总重为5.3844 t。铝合金杆件采用工字型铝型材，其杆件截面形状如图3所示，计算时对截面进行转换，使得转换后的截面特性与实际截面特性保持一致，转换后的截面尺寸参数如图4所示。

4 静力性能分析

4.1.结构变形

由表1可知结构最大竖向位移为50.79 mm，约为跨度的1/728，满足铝合金结构设计规范1/300的要求，风荷载和地震作用下的最大水平侧移为5.14 mm，约为高度的1/1030，满足抗震规范1/300的要求，因此结构具有良好的静力变形性能。

4.2 杆件应力

包络工况下铝合金结构杆件应力分布如图5所示。由图5知，结构应力的绝对值最大约为90 MPa，满足规范要求。

4.3 杆件稳定性

根据网壳结构技术规程取结构杆件强平面内的计算长度系数为1.6，弱轴平面内的计算长度系数为0.9，验算所有承载力荷载组合工况下各杆件的应力比。各杆件的应力比如图7所示，最大应力比为0.85，杆件具有较高的稳定性。

5 稳定性分析

采用特征值屈曲进行结构的稳定性分析，按照《空间网格结构技术规程》，球面网壳的全过程分析可按满跨均布荷载进行，故取荷载模式为1.0倍恒荷载+1.0满跨活载，计算过程中不考虑结构的材料非线性，不考虑结构的几何非线性。采用有限元分析软件ANSYS计算得到前6阶屈曲模态，前6阶特征值如表3所示。

总体来看，结构的特征值屈曲因子大于4.2，结构整体稳定性较好。

6 结论

通过以上详细分析，可以得出如下结论：