輕型裝配式鋼結(jié)構(gòu)龍骨布置形式優(yōu)化

01、結(jié)構(gòu)背景

以龍骨結(jié)構(gòu)體系為主導(dǎo)的輕型鋼結(jié)構(gòu)集成式住宅建設(shè)發(fā)展較快，成為推行綠色建筑的重要領(lǐng)域，并且在全國范圍內(nèi)均有大量工程案例。在現(xiàn)行GB/T 50378—2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中，明確了結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將節(jié)材與材料資源利用作為7類評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，并明確說明了對(duì)應(yīng)的指標(biāo)評(píng)分項(xiàng)目。

節(jié)材與材料資源利用指標(biāo)是針對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計(jì)階段的評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)，在國外綠色建筑評(píng)價(jià)體系中均以材料和資源利用作為一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)效率高的新型龍骨結(jié)構(gòu)布置方案，是輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑在建筑節(jié)能方面的工程發(fā)展需求，也是綠色建筑發(fā)展過程中需解決的關(guān)鍵問題。

02、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑在龍骨結(jié)構(gòu)的布置形式方面具備較為充分的優(yōu)化空間，在結(jié)構(gòu)節(jié)材方面以結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力最小、材料用量最少作為優(yōu)化目標(biāo)，在受到相同水平荷載或豎向荷載的作用下，優(yōu)化龍骨布置方式，以新裝配式房屋型桁架式布置的龍骨替代常規(guī)豎向布置的龍骨，形成新型桁架式龍骨結(jié)構(gòu)體系，以桿長(zhǎng)與應(yīng)力的乘積作為結(jié)構(gòu)效率進(jìn)行判別，對(duì)比不同龍骨布置方案的結(jié)構(gòu)效率，得出結(jié)構(gòu)受力性能和節(jié)材效果更好的新型龍骨結(jié)構(gòu)布置方案，在綠色建筑推廣的過程中，充分發(fā)揮采用該方案的新型桁架式龍骨結(jié)構(gòu)體系的建筑節(jié)能效率，達(dá)到減少建筑材料用量，節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的目的。

1.有限元分析

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行分析，以墻體尺寸2.4m×3.0m和4.8m×3.0m為例，在單獨(dú)施加水平單位集中荷載、單獨(dú)施加豎向單位均布荷載、同時(shí)施加水平單位集中荷載和豎向單位均布荷載3種不同條件下，對(duì)采取不同龍骨布置方案的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行有限元分析，分別得出在3種不同荷載條件下采用不同龍骨布置方案的桁架應(yīng)力分布。

2.結(jié)構(gòu)效率計(jì)算

在對(duì)模型進(jìn)行大量參數(shù)化分析得出數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。引入“結(jié)構(gòu)效率”的概念，在達(dá)到相同結(jié)構(gòu)目的條件下，盡可能減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量，從而減少建筑材料用量，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的綠色建筑要求。通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力最小、材料用量最少為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)不同荷載條件、墻體高寬比下輕型鋼結(jié)構(gòu)龍骨結(jié)構(gòu)體系的龍骨布置方案進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)節(jié)材效果進(jìn)行量化。

03、操作方法

(1)定義設(shè)計(jì)限值，定義材料強(qiáng)度、未定型及變形限值。

(2)確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化范圍。通常優(yōu)化包括自動(dòng)定義與人工定義兩種方式。

(3)進(jìn)行截面優(yōu)化計(jì)算。

(4)查看優(yōu)化結(jié)構(gòu)：輸出設(shè)計(jì)限值，初始截面參數(shù)及其計(jì)算出的強(qiáng)度和變形結(jié)果，確定優(yōu)化后總重量，輸出優(yōu)化后的截面參數(shù)及計(jì)算結(jié)果;輸出優(yōu)化后的截面圖形;輸出構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果;利用程序?qū)⒕植糠糯?，可參考截面信息返回人機(jī)交互輸入與修改主菜單，對(duì)參數(shù)信息進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并檢查。

04、結(jié)論

對(duì)比分析不同墻體寬度、不同荷載條件下，新型桁架式龍骨布置方案與常規(guī)龍骨豎向布置方案結(jié)構(gòu)效率的比值可知，采取人字形龍骨布置方式的新型桁架式龍骨結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)效率最高，結(jié)構(gòu)節(jié)材效果最好。

隨著墻體尺寸及荷載條件不同，相應(yīng)的墻體骨柱優(yōu)化布置方案有所不同，將2.4m作為一個(gè)基本寬度，當(dāng)墻體寬度為2.4m時(shí)，建議墻體骨柱布置方案為人字形桁架布置;當(dāng)墻體寬度為大于2.4m時(shí)，建議以人字形桁架按基本寬度布置;當(dāng)水平荷載起控制作用時(shí)，增加聯(lián)系整個(gè)墻寬范圍的斜BIM學(xué)習(xí)向系桿;當(dāng)豎向荷載起控制作用時(shí)，應(yīng)增大斜向系桿傾角，且聯(lián)系范圍為中部墻體。在后續(xù)工作中，擬進(jìn)一步對(duì)采取人字形龍骨布置方案的新型桁架式龍骨結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行試驗(yàn)研究，將試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)和軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證結(jié)論的可行性。

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