混凝土圆柱壳屋面结构分析与设计.pdf

赵广军： 混凝土圆柱壳屋面结构分析与设计 5 7 混凝土 圆柱 壳屋面结构分析 与设计 赵广军 ( 大庆石化工 程有 限公 司． 黑龙江大庆1 6 3 7 1 4) 【 摘要】 针对一仓库的屋盖选取了拱形壳屋面结构形式 ， 采取 A N S Y S 有限元方法对拱形壳屋面结构体系 进行了仿真数值模拟， 获得变形和应力， 均满足规范的要求。可见选取薄拱形屋盖是合理的。最后给出了框架内 部预应力钢筋混凝土梁两种预应力筋的布置形式。可为同类结构体系的有限元求解和设计提供参考。 【 关键词】 仿真数值模拟； 拱形屋盖； A N S Y S 【 中图分类号】 T U 3 7 5 ． 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 1 — 0 0 5 7— 0 2 1 工程概况 某一北方储存蔬菜水果的仓库， 结构体系为 2层 的框架结构 ， 长 宽为3 6 m 2 0 m， 建筑面积为 7 2 0 m ， 层高为 3 m， 为保证冬季仓库的正常使用 ， 屋盖应设计 成保温屋盖， 同时甲方要求充分的利用室内空间。通 过方案的对比， 最终确定选用 1 5 0 m m厚的拱形混凝土 作为屋盖结构。本文采用有限元软件 A N S Y S ⋯对该 屋盖结构在竖向荷载作用下的受力、 变形做 了分析， 满足相应规范的要求。通过造价的对 比， 拱形混凝土 屋盖结构也是最低的， 设计中充分的利用了拱形的力 学原理 ， 为类似工程的设计提供参考和借鉴。 2方案的对比 该屋盖在方案初步设计阶段给出了三种外形， 一 是平板造型、 二是拱形造型、 三是下凹造型。平板造 型中包括框架结构和网架结构 ， 考虑到常规混凝土框 架梁难 以满足 2 0 m的要求， 若采用预应力混凝土结 构 ， 需要张拉预应力筋和锚 固， 施工复杂 ， 费用高。 若采用平板网架结构， 没有充分利用空间。下凹造型 相同。结构力学方法求弯矩为外部平衡， 而截面应力 积分求得弯矩为内部平衡。而混凝土为非线性体， 所 以主应力和钢筋拉力并无直接对应关系。 ( 2 ) 对于混凝土结构， 实体单元有限元分析主 要适用于复杂节点， 即整体模型中提取内力， 建立局 部节点的有限元实体模型 ， 将内力当作边界条件施加 到局部模型上进行分析。通过观察应力流向， 分析应 力的传递， 判断某处拉、 压应力方向， 而等效应力并无 实际意义 。 ( 3 ) 钢筋混凝土的模拟 ： 钢筋混凝土是 由钢筋 和混凝土两种具有不 同物理力学性能的材料组合而 成的复合材料。钢筋作为一种金属材料 ， 采用双线性 随动强化模型。而混凝土作为一种混合材料 ， 其本构 模型非常复杂 ， 而且还需考虑钢筋和混凝土之间的粘 如悬索结构 尽管外形美观， 但空 间利用率更低 ， 所 以， 最终选定拱形造型， 拱形造型包括拱形混凝土屋 盖、 拱形网壳结构和人字形的钢桁架， 若采用网壳和 钢桁架 ， 为保证室内的温度， 上面还需铺设屋面板， 造 价都比直接设计成拱形混凝土结构要高， 经过对 比分 析， 最终甲方决定采用拱形圆柱壳混凝土结构作为仓 库的屋盖结构。结构简图如图 1 所示。 ／ ． f- - -． ． ＼ 一 一 图1 计算模型 图2 有限元模型 3 有 限元模型 3 ． 1 计算参数 该圆柱壳屋面， 根据经验混凝 土拱板厚度取为 1 5 0 m m ， 拱的半径为 2 0 m， 拱对应的圆心角为 6 O 。 ， 拱 结、 滑移和相互作用 。以现有的有限元软件的非线 性分析要进行精确的模拟钢筋及混凝土， 得出钢筋的 应力， 较难得出理想的结果。 参考文献 [ 1 ] 孙训方 ， 等 ． 材料力学( 下册) [ M] ． 北京： 高等教育出版社， 1 9 95： 1 4 ． [ 2 1 郝文化， 等 ． A N S Y S土木工程应用实例[ M] ． 北京： 中国水利 水 电出版社 , 2 0 0 5 ： 7 5—1 2 0 ． [ 收稿日期] 2 0 1 1 — 0 7 一l 1 [ 作者简介] 程柯( 1 9 7 8 一) ， 男， 辽宁盘锦人， 工程师， 从事 工程结构设计工作。 5 8 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1 1 期( 总第 1 6 1 期) 对应的弦为2 0 m， 正好和屋盖的跨度一样 ， 拱板长度为 3 6 m， 材料为钢筋混凝土。材料密度为2 5 k N ／ m ， 弹性 模量 E：3 1 0 N ／ ra m ， 泊松比p r x y为0 ． 2 。 3 ． 2 有限元建模 指定分析类型为 S t r u c t u r a l ， 程序分析方法为 h— m e t h o d 。定义单元类型为壳单元 S H E L L 9 3 ， 该单元 为 8节点的弹性壳单元 ， 指定壳单元的厚度为 0 ． 1 5 m， 定义材料属性和密度 ， 建立模型， 采用柱面坐标系建 立关 键点， 在 “ C r e a t e K e y p o i n t i n A c t i v e C o o r d i n a t e s S y s t e m” 对话框中， 在 X Y Z坐标栏中输入( 2 O ， 6 0 ， 0 ) 、 ( 2 0 ， 6 0 ， 3 6 ) 、 ( 2 0 ， 1 2 0 ， 3 6 ) 和( 2 0 ， 1 2 0 ， 0 ) 分别产生 1 、 2 、 3 、 4共 4个关键点。通过关键点直接生成壳面。几 何模型建立完毕之后即可进行网格划分。 ⋯“ 一⋯ 图3 变形 图 选择分析类型为静力分析 ， 施加位移约束， 将板 的纵向长边设置为铰接， 因为壳板是支撑在框架结构 上， 有水平位移产生， 横向短边为 自由边， 尽管侧面有 山墙 ， 但山墙不起支撑壳板的作用。施加外荷载求 解。建立的有限元模型如图 2 所示。 4 有 限元结果分析 在施加外力后求解 ， 得到的结构变形如图 3所示。 竖向挠度分布等值线图如图4所示。从图中的数据可 以看出， 结构弹性变形最大为 1 ． 9 5 1 m m， 发生在跨中 自由边处 ； 最小变形为 0 ． 5 7 ra m。 从图 5可以看出， 最大应力为 1 ． 9 3 N ／ ram ， 发生 在 自由边支座处， 远小于混凝土的开裂强度 ， 满足规 范的要 求。 强一 图4 竖向挠度分布等值线图 图5 应力分布图 5 预应 力梁设计 壳板在外 力作用下会产生水平力， 为抵消水平 力 ， 在与壳板跨度相同方向的框架梁中对称布置直线 的预应力筋。框架内部梁无柱子支撑， 跨度为 2 0 m， 跨 度较大 ， 采用 常规 钢筋混 凝 土梁 ， 裂缝和 变形均 不满 足要求 ， 为此， 采用预应力混凝土梁， 布置曲线预应力 筋， 预应力筋采用张拉控制应力为 0 ． 7 5 的低松弛 钢绞线 。两种预应力筋的布置如图6所示。 — 厂 — ＼， 一 r } 图6 两种预应 力筋的布置图 6结 语 ( 1 ) 通过方案的对比分析 ， 该仓库屋顶采用拱 形混凝土屋盖结构。 ( 2 ) 本文采取 A N S Y S有限元方法对拱形混凝 土屋盖结构进行了仿真数值模拟， 详细介绍了有限元 分析 的过程， 求得变形和应力， 均满足规范的要求。 可见选取薄拱形屋盖是合理的。 ( 3 ) 框架内部梁采用了布置曲线和直线两种预 应力筋的钢筋混凝土梁。 参考文献 [ 1 ] 刘 涛， 杨风鹏 ．精通 A N S Y S [ M] ．北京： 清华 大学出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] G B 5 0 0 I 1 — 2 0 0 8 ． 混凝土结构设计规范[ s ] ． [ 3 ] 博弈创作室 ． A P D L参数化有限元分析技术及其应用实例 [ M] ． 北京 ： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 郝文化 ． A N S Y S 土木工程应用实例[ M] ． 北京 ： 中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 收稿日期】 2 0 1 1 — 0 5 — 1 6 [ 作者简介] 赵广军( 1 9 6 1 一) ， 男。 黑龙江大庆人， 工程师， 主 要从 事土木工程方面的研究与设计工作 。