钢管混凝土网壳的可行性分析.pdf

2 0 1 0 年 第 3 期 (总 第 2 4 5 期 ) N u mb e r 3 i n 2 0 1 0 ( T o t a l N o 2 4 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 1 5 钢管混凝土网壳的可行性分析 金杰 。蔡相娟 z ( 1 聊城大学，山东 聊城 2 5 2 0 5 9 ；2 深圳机械院 建筑设计有限公司，广东 深圳 5 1 8 0 2 7 ) 摘要： 提出了一种新型空间组合网壳结构一钢管混凝土网壳结构。 总结了模拟构件的材料模。 采用钢管混凝土统一理论， 确定出组合 材料性能指标。利用有限元分析程序A N S Y S 对应用最广的K i e w i t t 8 型( K 8 型) 单层球面钢网壳和单层球面钢管混凝土组合网壳进行建 模和求解， 得出不同跨度和矢跨比、 不同杆件截面尺寸的纯钢网壳和钢管混凝土网壳的荷载一 位移曲线， 结合目前市场上钢管和混凝土的 价格 ， 经过对两种网壳的自重、 承载力、 用钢量、 造价等方面的对比分析， 指出钢管混凝土网壳的优越性。 关键词 ： 钢管混凝土网壳；稳定性；极限承载力 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 5 1 0 3 F ea s i bi l it y an al y sis o f s t ee l t u be c on f i n e d c onc r et e r e t i c ul a t ed s he l 1 T NJ e ， C AI Xi a n g -j u a n ( 1 L i a o c h e n g Un i v e r s i t y ， L i a o c h e n g 2 5 2 0 5 9 ， C h i n a ； 2 A r c h i t e c t u r a l D e s i g n I n s t i t u t e o f S h e n z h e n Ma c h i n e r y ， S h e n z h e n 5 1 8 0 2 7 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： De s c ri b e s s t e e l tub e - c o n fi n e d c o n c r e t e ( S T C C) r e t i c u l a t e d s h e l l s t r u c t u r e s ， wh i c h i s a n e w s p a c e r e t i c u l a t e d s h e l l s t r u c t u r e s a n d r e s e a r c h e s t h e ma t e ria l mo d e l o f s i mu l a t e c o mpo n e n t s Th e u ni t e d t h e o ry f o r S TCC i s u s e d t o d e t e r mi n e t h e b e h a v i o r s o f the c o mp o s i te ma t e r i a 1 b y me a n s of f i n i t e e l e me n t an a l y s i s p r o g r a m ANS YS， t h i s p a p e r mod e l s a n d r e s o l v e s t h e wi d e ly u s e d K8 s ing l e l a y e r s p h e ric a l s t e e l r e ti c u l a t ed s h e l l an d s i n gl e l a y e r s p h e ric a l STCC r e t i c u l a t e d s h e l l ， d r a ws the l o a d d i s p l a c e me n t c u r v e o fs t e e l ret i c u l a t e d s h e l l and S TCC r e tic u l a t e d s h e l l u n d e r d i f - f e r e n t s p an ， ris e - t o - s p an r a tio a n d b e a m s e c t i o n d i me n s i o nCo ns i d e rin g the c ur r e n t ma r k e t p ric e o f s t e e l a n d c o n c r e t e ， the p a pe r ma d e a c o mp a r a t i v eana l y s i s o f thet w o c o n c r e t e r e t i c u l a t e d s h e l l o n s e l f - we i g h t ， b e a r i n gc a p a c i ty， s t e e l v o lu me ， c o s t s ， e t c ， andp o i n t ed o u t the s u p e r i o ri ty o f S T C C r e t i c u l a t e d s h e l 1 Ke ywor ds ： s t e e l t u b e c o n fin e dc o nc ret e r e t i c ul a t e d s h e l l ； s t a bi l i t yt h e o ry； u l t i ma t eb e a rin g c a p a c i t y 0 引言 近代以来， 网壳结构的研究和应用在世界范围内得到了很大 的发展， 其总的趋势是跨度越来越大、 厚度越来越薄， 因此所使用 的材料逐步向轻质高强方向发展。 主要是钢材、 铝合金、 木材、 钢筋 混凝土和塑料。 但每种材料都有优缺点。 目前国内外已建成的空间 网壳一般采用纯钢结构。 纯钢网壳虽然质量轻， 但在跨度较大的情 况下， 仍有耗钢量较大、 造价较高的缺点。由于空间网壳结构杆件 主要承受轴向压力，如果考虑在网壳结构的杆件中灌入混凝土即 采用钢管混凝土杆件， 则可利用钢管混凝土具有抗压强度高、 良好 的塑性和韧性的优点， 减少耗钢量， 降低造价， 提高杆件的稳定性， 改善其受力性能。 现在空间网壳结构的应用越来越广泛， 跨度也越 来越大， 如能通过改善结构构件的力学性能， 减少钢材的用量， 降 低造价， 提高经济效益， 将具有十分重要的意义。 因此， 钢管混凝土 网壳结构是很值得进行探讨和深入研究的一种结构形式。 关于钢管混凝土组合网格结构的研究还不多见 ， 其 中文 献 1 】 对钢管混凝土组合网架的可行性进行了研究， 指出在网架 的受压上弦杆件中， 当杆件直径超过 7 6 r n n l 时， 采用钢管混凝 土杆件替代空钢管可达到节省钢材 、 降低造价的目的； 文献 2 】 通过静力线性分析和优化设计， 探讨了钢管混凝土组合空间网 架结构的力学性能和工程应用价值。 而相对于纯钢网壳结构而言， 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 1 - 1 2 有关新型钢管混凝土组合网壳结构的研究还未见， 这种结构在具 体设计和施工中是否具有意义还是未知， 因此本文采用 A NS Y S 软件， 分别建立纯钢网壳和钢管混凝土网壳的三维有限元模型， 通过比较两种网壳在不同跨度和矢跨比、 不同杆件截面尺寸下 的自重、 承载力、 用钢量及造价等方面的综合性能指标， 从力学 性能和经济角度体现钢管混凝土网壳的可行性及优越陛。 1 钢管混凝土组合材料的力学性能 1 1 钢管混凝土杆的模拟方法 通常将钢管混凝土杆采用双材料模型或单材料模型来模 拟。其中双材料模型又分为双单元模型和纤维单元模型； 单材 料模型具体也可分为换算材料模型和统一理论模型。 以上几种模拟钢管混凝土构件的方法各有优缺点， 根据实 际需要， 考虑计算成本合理选择模拟方法是至关重要的。本文 选择统一理论模型进行分析。 钟善桐教授通过对钢管混凝土构件进行长期的试验与理 论研究提出了钢管混凝土统一理论。该理论认为： 钢管混凝土 构件的工作性能， 随着材料的物理参数 、 构件的几何参数和截 面形式， 以及应力状态的改变而改变， 变化是连续的、 相关的。 计算是统一的。其具体内容是 ： 把钢管混凝土视为统一的一种 组合材料 ， 用构件的整体几何特性( 全截面面积和抵抗矩等) 和 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢管混凝土的组合性能指标， 来计算构件的各项承载力， 不再 区分钢管和混凝土3 1 。 1 2 钢管混凝土的物理力学性能指标 在建立模型时， 在 A NS YS有限元程序中选择直线梁单元进 行计算分析。即把钢管和混凝土视为一个整体， 将钢管混凝土 材料当作一种组合材料， 在分析中所定义的材料属性是组合材 料的整体属性， 于是在进行分析之前就必须确定钢管混凝土材 料的组合性能指标。 经对各种钢材、 混凝土强度等级及含钢率的情况进行分析 计算， 利用文献【 3 出钢管混凝土的组合性能指标简化计算公 式进行计算。 2 A Ns YS 模型的建立 2 1 网格形式的选择 为简化参数分析方案， 选择最常用的K i e w i t t 8 型( KS 型) 网 壳作为分析的对象， 以此来取得关于网壳稳定性能的完整概念。 2 2 单 元的选 取 选择 B e a m1 8 8 空间粱单元进行分析。该单元非常适合线 性、 大转动问题及非线性大应变问题， 而且该单元能分析弯曲、 横向及扭转稳定问题。 2 3 材料参数 为了研究方便， 假定同一网壳的杆件取相同的圆管截面。在 参数分析中， 对每一种跨度的网壳均选用三套不同的截面尺寸， 按截面从小到大的顺序排列为、 、 种。 截面大小也是工程 中常用的规格， 其中钢管混凝土网壳( A) 选用与钢网壳( B) 相 同的钢管直径和厚度， 灌注C 3 0混凝土。钢管混凝土构件的材 料属性是按照钢管混凝土统一理论确定的组合材料的整体属 性。具体参数见表 l 所示。 2 4 荷载参数 的选择 本文按节点承受单位竖向荷载考虑。 5 0 0 400 蚕 3 0 0 霎 2 0 0 l O 0 Z 藕 挺 2 O O Z 1 5 0 1 0 0 挺 5 O 0 0 5 1 0 1 5 位移 m ( a ) L = 4 0 m， il L = 1 1 5 3 5 O 3 0 0 Z 2 5 0 2 0 0 2O 52 O 5 1 0 1 5 位移 m f d ) L = 5 0 m，yL ： I 5 位 移 m ( g ) L = 6 0 m， ilL = 1 1 5 5 0 0 2 0 0 1 5 O Z 柩 1 0 0 枢 5 0 表 1 材料参数表 2 5 初 始缺 陷 本章在考虑缺陷时采用一致缺陷模态法进行分析。 2 6 支承条件 本文将网壳结构的节点假定为刚接情况来进行分析和比 较， 即计算是将网壳结构的杆件假定为梁单元。网壳周围的支 承节点固接在下部支承结构上。 3 参数分析方案 为了便于对比钢管混凝土网壳和钢网壳的性能， 对这两种 网壳均采用相同的参数进行分析计算， 然后对所得计算结果进 行归纳比较 。 根据 J C J 6 l 2 O 0 3网壳结构技术规程， 从符合实际的角度 出发， 选择如下几种跨度和矢跨比进行分析： 跨度： L = 4 0 、 5 0 、 6 0 m； 矢跨比：f L = l 5 、 1 6 、 1 7 。 杆件长度通常控制在 3 5 m范围内， 因此 K 8网格的分割频 数( NF ) 随跨度而增加， 如表 2所示。 表 2 网壳结构径向分频表 4 网壳的全过程曲线及极限荷载 结构非线性对临界荷载及失稳区域的影响很大 ， 本文仅考 虑结构的几何非线性。 对每例结构进行全过程分析之后， 为每个 节点都可画出一条荷载一 位移曲线。受篇幅限制， 本文只为每例 结构取一条曲线， 即迭代结束时位移最大的那个节点的荷载一 位 0 5 1 0 1 5 位 移 m ( b )L = 4 0 m， flL = l l 6 0 5 1 0 位移 m ( c ) L = 5 0 m， L = l l 6 2 5 0 2 0 0 姜1 5 0 l o o 5 0 1 5 0 至1 0 0 挺5 0 位移 m ( h ) L = 6 0 m， flL = l l 6 图 1 K 8型钢管混凝土网壳和纯钢网壳的荷载一 位移曲 线 O 5 1 O 位移 m ( e ) L = 4 0 m， ilL = 1 7 0 5 1 0 位移 m ( 0 L = 5 o m， z = 1 7 0 5 1 0 位移 m ( i ) L = 6 0 m， f L = l 7 0 如 如 如 0 叠 重。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 移曲线来进行分析。图 1 给出了包括 3种跨度、 3 种矢跨比、 3 种 截面尺寸的5 4 个网壳在均布荷载作用下的全过程曲线。其中实 线表示钢管混凝土网壳， 虚线表示钢网壳， 、 、 表示截面编 号， 见表 I 。 由图 1 可知， 钢管混凝土网壳的荷载一 位移曲线同钢网壳的 类似， 都具有非常好的规律性。当相同截面尺寸的钢管灌人C 3 0 的混凝土后， 网壳的极限荷载明显提高。 还可发现， 不同矢跨比 下号截面的钢管混凝土网壳的极限荷载与号截面的钢网 壳的极限荷载大体相当， 因此， 采用钢管混凝土构件可以替代 大三级的管径的空钢管构件。分析中还可发现， 同等截面尺寸 的钢管混凝土网壳的位移小于钢网壳的位移 ， 这表明灌人混凝 土后网壳的刚度增大。 5 纯钢网壳和钢管混凝土网壳计算结果比较 由前述可知 ， 不同矢跨比下号截面的钢管混凝土网壳的 极限荷载与号截面的钢网壳的极限荷载大体相当， 故可用 号截面钢管混凝土网壳代替号截面纯钢网壳， 其各项指标如 表 3 所示。 对以上设计计算结果作对比分析， 钢管混凝土组合网壳与 纯钢网壳相比， 各指标列于表 4 。 表 3 钢管混凝土网壳与钢网壳性能指标比较 注： 由于本文没有进行节点设计， 所以表中的总重及用钢量不包括节点。 本文中的造价是根据网上公布的西安市无缝钢管以及混凝土的价 格来确定的。 由于价格一直在变动， 所以不能一概而论， 但仍具有一定的代表性。( 无缝钢管 6 6 0 0 元 t ， C 3 0 混凝土2 8 0 元 m3 ) 。 表4 钢管混凝土网壳与纯钢网壳对比指标 由表4可得， 钢管混凝土网壳与纯钢网壳相比， 在不同跨度、 不同矢跨比下， 自重的增加量以及用钢量的节省和造价的降低 基本相同， 也就是说它们不随跨度和矢跨比的改变而变化； 而随 着跨度和矢跨比的变化承载力有不同程度的提高， 结构的变形 则在相应的减少。 6结论 通过上面关于纯钢网壳和钢管混凝土组合网壳的计算结 果的分析对比， 可以得出如下结论： ( 1 ) 钢管混凝土组合网壳与纯钢网壳相比， 虽然 自重有所 增加 ， 但承载力提高了， 同时结构的变形减少， 用钢量和造价大 幅度降低， 这些优越性弥补了自重增大的缺陷。 ( 2 ) 钢管混凝土组合网壳与纯钢网壳相比， 自重的增加量 以及用钢量的节省数和造价的降低值基本相同， 即它们不随跨 度和矢跨比的改变而变化。 由上可见， 无论是从经济角度还是从力学性能来看， 钢管 混凝土网壳结构与纯钢网壳结构相比有很大的优越性。 从经济 下转第 5 7页 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表4 强度等级和保护层厚度变化时的碳化寿命 50 图7 碳化寿命随强度等级和保护层厚度变化图 对图5和图 6 、 表 4和图7的碳化寿命变化分析如下： ( 1 ) 图 5 显示 ， 环境相对湿度一定时， 碳化寿命随水灰( 胶) 比减小而增加； 水灰( 胶 ) 比一定时， 碳化寿命随相对湿度增大 而增加。计算结果表明， 若环境相对湿度为 R H = 6 0 、 保护层厚 度c = 3 0 r n n l ， 当水灰比W C = 0 5 5时结构碳化寿命为 5 8 4年， 当 W C = 0 5 时， 碳化寿命为 7 6 7 年， 鉴于我国目 前的房屋土地使 用期为 7 0年， 结构碳化寿命也应该相应的调整。若 R H = 6 0 、 c = 4 1 mi l l ， 当W C = 0 5 5时， 碳化寿命为 1 0 9年。 ( 2 ) 图 6反映出， 环境相对湿度一定时， 结构碳化寿命随 混凝土强度的增大而增加 ； 混凝土强度一定时， 结构碳化寿命 随环境相对湿度的增大而增加。根据计算数据， 若保护层厚度 c = 3 0 mm， 只有当厂 a 4 0 MP a 、 R H 6 5 时结构碳化寿命才大于 7 0年 ； 当 c 4 0 r f ff n 、 3 5 MP a 、 R H6 0 时碳化寿命大于 1 0 0年。 显而易见， 增加保护层厚度是提高结构碳化寿命的有效 措施。对中、 高湿度的室内构件， 表 5给出7 0年碳化寿命的参 数取值建议。 表 5 7 0年碳化寿命建议参数取值 上接第 5 3页 角度来看， 节省了钢材， 降低了工程造价 ； 从力学性能的角度来 看， 结构变形小， 刚度大。 由于时间关系， 本研究没有作采用高强钢管混凝土网壳的对 比汁 算。 由于高强混凝土的强度比 本文中采用的C 3 0 混凝土高较 多， 而其价格及密度相差并不大， 可以预见， 采用高强钢管混凝土 将更多地降低结构的用钢量和造价， 使组合网壳自重增加的影响 更小， 其优越之处更显著。因此， 采用钢管混凝土构件代替空钢管 构件是可行的， 钢管混凝土用于空间结构具有良好的发展前景。 参考文献 ： 1 刘殿中， 金凤清 钢管混凝土组合网架的应用研究 J 吉林建筑工程 ( 3 ) 由表 4和图 7可知， 环境相对湿度 R H= 7 0 、 保护层 厚度( 3 0 5 0 mm) 一定时， 碳化寿命随强度等级( C 3 0 C 5 0 ) 的提 高而增大， 并且当强度提高一个等级时增幅在 7 0 2 右； 当混凝 土强度等级一定时， 碳化寿命随保护层厚度的增大而增大， 且增 幅逐渐减小， 当保护层厚度以5 ton i 的幅度增大时， 碳化寿命的 增幅变化为 4 5 o 2 5 ， 且当C I3 5 m l n时， 混凝土提高一个等级 ( 5 MP a ) 大于保护层厚度增加 1 0 mm对结构碳化寿命的影响。 结 合2 _ 3的分析， 认为当保护层达到一定厚度( 3 5mm) 时， 提高混 凝土强度等级比继续增大保护层厚度效果更显著。 3结论 ( 1 ) 欧州规范的混凝土保护层厚度比我国规范至少大 1 0 mi l l ， 由此产生的结构碳化寿命差值 4 O年以上，且随混凝土强度或 相对湿度增大碳化寿命差值加大。 ( 2 ) 我国规范对中、 高湿度室内构件的最小保护层厚度或最 低混凝土强度等级的规定偏低， 不能满足设计使用年限( 5 0年) 的要求 ， 可提高混凝土强度等级( c 3 5 ) 或保护层厚度( 4 0 mm) 来 提高结构碳化寿命。 ( 3 ) 对于中、 高湿度的室内构件 ， 当环境相对湿度 R H= 7 0 、 保护层厚度 C 3 5 1 11 11 1 时， 混凝土提高一个等级( 5 MP a ) 大于保 护层厚度增加 1 0 mi l l 对结构碳化寿命的影响， 提高混凝土强度 等级比增大保护层厚度对结构碳化寿命提高效果更显著。 参 考文献 ： 【 1 1 G B f F 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规范【 s 【 2 】E N 1 9 9 2 一 l 一1 ： 2 0 0 4， De s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s S 3 】3 贡金鑫， 魏巍巍， 胡家顺 中美欧混凝土结构设计【 M 北京： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 7 【 4 】 张巧玲， 朱宏亮 英国、 日本和加拿大三国耐久性规范比较与分析 建筑经济， 2 o o 2 ( 1 ) f 5 】5 马景才， 姚继涛 混凝土结构耐久性及各国最小保护层厚度对比分 析 四川建筑科学研究， 2 0 0 8 ( 4 ) 6 】 李润记 ， 刁波混凝土结构碳化寿命预测模型分析叨 混凝土， 2 0 0 9 ( 2 ) 【 7 】 张誉， 蒋利学基于碳化机理的混凝土碳化深度实用数学模型硼 工 业建筑。 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 1 6 1 9 【 8 】 牛荻涛， 混凝土结构耐久性与寿命预测 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 3 9 】 徐善华 ， 牛荻涛， 王庆霖 ， 等 大气环境条件下混凝土最小保护层厚 度的研究 c ff _ 土结构耐久性设计与施工论文集， 2 0 0 4 作者简 介： 单位地 址 ： 联 系电话 ： 韩秀星( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 混凝土结构耐 久性。 北京市海淀区学院路 3 7 号 北京航空航天大学 6 号教学 楼 2 1 2 室( 1 0 0 1 9 0 1 3 4 8 8 8 9 8 42 9 学院学报 ， 1 9 9 9 ( 1 ) 2 】2 高瑞霞， 刘铮， 吴敏哲 钢管混凝土组合网架静力线性分析叨 宁夏工 学院学报， 1 9 9 6 f 3 】 钟善铜 钢管混凝土结构( 第 3 版) 【 M】 京： 清华大学出版社， 2 0 0 3 4 沈世钊， 陈昕 网壳结构稳定性【 M 】 北京： 科学出版社， 1 9 9 9 【 5 】 沈世 陈 昕 ， 林有军， 等单层湖壳脓日 空间l 构 ， 1 9 9 7 ( 3 ) 【 6 】 蔡相娟 钢管混凝土网壳稳定性分析【 D 】 西安建筑科技大学， 2 0 0 8 作者简介： 金杰( 1 9 8 0 - ) ， 女， 研究方向： 结构工程抗震。 单位地址 ： 山东聊城大学建筑工程学院( 2 5 2 0 5 9 ) 联系电话 ： 1 5 9 0 6 3 5 1 9 1 2 5 7 O 0 O O 0 0 0 0 O 0d n 如舳加如如加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m