一種由STHC鋼柱及新型保溫材料組成的可移動(dòng)屋蓋體系

趙文艷 陳勻杉 李靜薇

(東北石油大學(xué),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(dòng)屋蓋體系

趙文艷 陳勻杉 李靜薇

(東北石油大學(xué),黑龍江 大慶 163318)

結(jié)合建筑存在的基本問(wèn)題，對(duì)建筑體系進(jìn)行合理改進(jìn)，并利用ABAQUS對(duì)新型鋼柱STHC的穩(wěn)定性開(kāi)展有限元分析，論述該體系的合理性,并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，為今后同類研究提供參考。

可移動(dòng)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(fā)展，城市人口迅速增加，城市土地面積難以滿足現(xiàn)有人口的住房需要。另外，城市化的發(fā)展將帶來(lái)大量的舊城改造，大規(guī)模老舊建筑面臨著拆除。但是大規(guī)模建筑拆除必將帶來(lái)建筑資源的大量浪費(fèi)、環(huán)境嚴(yán)重污染等問(wèn)題。常規(guī)的舊建筑改造大多是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)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(zhǎng)且不能滿足建筑的多功能變化。而鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量較輕，強(qiáng)度較高，跨度較大，鋼結(jié)構(gòu)的建筑施工工期較短且鋼結(jié)構(gòu)的建筑移動(dòng)方便回收無(wú)污染，許多房屋和廠房以及對(duì)老舊建筑物的加固都開(kāi)始采用鋼結(jié)構(gòu)形式[1-3]。

本文提出的可移動(dòng)屋蓋體系正是在老舊廠房的基礎(chǔ)上，利用新型矩形鋼管翼緣的工字型蜂窩鋼柱對(duì)其進(jìn)行合理的改造，形成了一種節(jié)約建筑資源且具有多功能轉(zhuǎn)變的新型建筑體系。該體系不僅施工簡(jiǎn)單、施工周期短、成本低且使建筑屋蓋可自由提升，實(shí)現(xiàn)建筑的自動(dòng)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(chǔ)上將翼緣做成矩形鋼管的形式且將腹板開(kāi)圓孔做成蜂窩的構(gòu)造形式。不僅較大的提高了柱子的穩(wěn)定承載力，還減少了柱子的自重，為該可移動(dòng)屋蓋體系的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于普通工字型柱國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了較全面的研究。

本文結(jié)合已有建筑存在的問(wèn)題，對(duì)可移動(dòng)屋蓋建筑體系進(jìn)行合理闡述，并利用ABAQUS有限元軟件對(duì)新型鋼柱STHC的穩(wěn)定性開(kāi)展數(shù)值分析，論述該體系的合理性。最后，根據(jù)仿真分析提出了相應(yīng)設(shè)計(jì)建議。

1 可移動(dòng)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(chǔ)的新型結(jié)構(gòu)體系，本體系主要包括可移動(dòng)屋蓋、矩形鋼管翼緣的工字型蜂窩鋼柱、液壓千斤頂及動(dòng)力系統(tǒng)、蘆葦保溫板等。其中蘆葦保溫板解決了傳統(tǒng)苯材保溫板重量大、成本高、易燃、壽命低的缺陷以及工業(yè)建筑垃圾難以處理和廠房功能適應(yīng)性差等問(wèn)題。

具體體系立體模型示意圖見(jiàn)圖1，體系剖面圖見(jiàn)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(dòng)屋蓋體系。

大慶又稱百湖之城，具有大量的湖泊，所以蘆葦產(chǎn)量大。以當(dāng)?shù)靥J葦為主要原料，不切割粉碎,不添加粘結(jié)劑，經(jīng)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(fā)揮了良好的保溫性能。蘆葦板生產(chǎn)工藝流程：

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

蘆葦保溫板適應(yīng)性強(qiáng)，可用于嚴(yán)寒地區(qū)，主要用于工業(yè)基地的廢舊工廠保溫處理技術(shù)，材料豐富，價(jià)格低廉，技術(shù)簡(jiǎn)便，能夠獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省60%費(fèi)用。

STHC鋼柱在普通工字鋼柱的基礎(chǔ)上將翼緣做成矩形鋼管的形式且將腹板開(kāi)圓孔做成蜂窩的構(gòu)造形式。不僅較大的提高了柱子的穩(wěn)定承載力，還減少了柱子的自重，為該可移動(dòng)屋蓋體系的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

STHC鋼柱橫截面圖及立體圖見(jiàn)圖3。

可移動(dòng)屋蓋體系將屋蓋與STHC鋼柱分離，使屋蓋能沿鋼柱上下滑動(dòng)，液壓千斤頂置于鋼柱底部，并將液壓千斤頂與外界動(dòng)力系統(tǒng)連接，液壓千斤頂頂部與屋蓋柱進(jìn)行連接，形成可移動(dòng)屋蓋體系。可移動(dòng)屋蓋體系具體構(gòu)造見(jiàn)圖2。

1.2 體系應(yīng)用

1.2.1 觀光別墅

本體系可應(yīng)用于景區(qū)觀光別墅，面向不同家庭情況，進(jìn)行合理增層。既避免了空間浪費(fèi)，又可以通過(guò)增層別墅實(shí)現(xiàn)景區(qū)觀光。通過(guò)本體系便可利用有效的景區(qū)用地，滿足大多數(shù)游客居住觀光需求。

1.2.2 植物展覽中心

對(duì)于植物展覽中心，隨著植物的生長(zhǎng)增高，合理的建筑高度是保證植物正常生長(zhǎng)的必然條件。但是簡(jiǎn)單的增高建筑高度，難免會(huì)形成空間浪費(fèi)、材料浪費(fèi)等問(wèn)題。所以結(jié)合本體系的可移動(dòng)屋蓋體系，可以極好的滿足植物的生長(zhǎng)需求。

1.2.3 倉(cāng)庫(kù)

對(duì)于傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)，功能較單一，在失去使用價(jià)值之后，多進(jìn)行拆除和摧毀。而利用本文的可移動(dòng)屋蓋體系可以隨時(shí)調(diào)節(jié)屋蓋高度，從而滿足各種材料的儲(chǔ)存。

2 STHC鋼柱的穩(wěn)定承載力分析

2.1 試件設(shè)計(jì)

以截面形式、約束方式為主要參數(shù)，設(shè)計(jì)了6個(gè)試件，具體試件參數(shù)及設(shè)計(jì)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(shù)與設(shè)計(jì)原則

2.2 有限元模型建立及驗(yàn)證

采用ABAQUS有限元軟件[4]建立6個(gè)不同形式的工字型蜂窩鋼柱的有限元模型。為進(jìn)一步考察鋼材的應(yīng)力分布，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R模擬鋼板。通過(guò)布置種子來(lái)實(shí)現(xiàn)柱子的網(wǎng)格劃分。柱底約束所有節(jié)點(diǎn)的自由度(U1,U2,U3,UR1,UR2和UR3)，模擬固接；柱頂僅約束節(jié)點(diǎn)的水平和平面外位移(U1和U2)，豎向和轉(zhuǎn)角自由，模擬鉸接；柱頂節(jié)點(diǎn)無(wú)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(tài)變形的1/1 000)，采用Riks法開(kāi)展鋼柱的非線性軸壓分析。

按照上述的建模方法，本文對(duì)韓林海[5]于2000開(kāi)展過(guò)試驗(yàn)的4根鋼管柱進(jìn)行非線性仿真分析，荷載位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖4，通過(guò)對(duì)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(wěn)定性分析

表2 試件穩(wěn)定承載力 kN

由于除試件C-5及C-6外，其他試件變形趨勢(shì)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(jìn)行表示，見(jiàn)圖5。

由表2可看出，通過(guò)對(duì)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(gòu)造形式可以較好的提高柱子的穩(wěn)定承載力；對(duì)比試件C-3,C-4可以看出將腹板做成蜂窩構(gòu)造形式可以減小結(jié)構(gòu)自重且對(duì)穩(wěn)定承載力影響很??；對(duì)比試件C-3,C-5及C-6可以看出當(dāng)試件上端鉸接下端固接穩(wěn)定承載力為3 454.1 kN，上端自由下端固接時(shí)為445.1 kN，兩端均鉸接時(shí)穩(wěn)定承載力1 737.9 kN，所以柱頂采用鉸接柱底采用固接時(shí)，鋼柱的穩(wěn)定承載力最大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新型的可移動(dòng)屋蓋體系，本體系結(jié)合蘆葦保溫板、可移動(dòng)屋蓋、STHC鋼柱的優(yōu)點(diǎn)為一體，為建筑結(jié)構(gòu)多功能的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。然后以截面形式、約束方式為參數(shù)設(shè)計(jì)11組應(yīng) 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(duì)其進(jìn)行軸壓性能仿真分析，研究了各參數(shù)對(duì)該新型蜂窩鋼柱的穩(wěn)定性及承載性能影響規(guī)律。結(jié)果表明：柱子兩端的約束條件對(duì)于柱子的穩(wěn)定承載力影響極大，當(dāng)柱頂采用鉸接柱底固接時(shí)，穩(wěn)定承載力最大；另外，腹板開(kāi)孔對(duì)于柱子的穩(wěn)定承載力影響較小。

[1] 計(jì) 靜，邢 菲，武英杰，等.鋼框架十字型剛性節(jié)點(diǎn)滯回性能分析與設(shè)計(jì)[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)，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(guó).ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu):理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社,2000.

些設(shè)計(jì)工藝技術(shù)資料，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性突破性的改進(jìn)。

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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