Проект логистического склада в Перу: структурный анализ и схема проектирования сетки

Проект логистического склада в Перу: структурный анализ сети и схема проектирования

 

Этот проект представляет собой логистический склад в Перу с трапециевидной главной плоскостью. Размеры ядра: ширина 80,59~114,1 м (две параллельные стороны трапеции), длина 190 м, высота здания 15,2 м; пролет конструкции составляет 23–24 м, а расстояние между колоннами (расстояние между каждым пролетом) составляет 22 м. В оригинальном проекте клиента использовалась ферменная конструкция. Исходя из размера пролета, характеристик нагрузки и требований к использованию логистического склада, CBC предлагает оптимизировать структурную форму до сетчатой ​​структуры. Ниже приводится подробный анализ по четырем аспектам: структурная сила, конструкция стальной рамы, сечение и дозировка материала, а также преимущества и недостатки этой конструктивной формы.

 

 

 

Ферменная конструкция представляет собой плоскую силовую-несущую систему, состоящую в основном из верхних поясов, нижних поясов и перемычек. Его силовые-несущие характеристики сосредоточены в плоскости: верхние пояса воспринимают давление, нижние пояса - растяжение, а элементы перемычки (диагональные элементы и вертикальные элементы) передают усилие сдвига. Общая нагрузка уравновешивается осевой силой элементов. В сочетании с параметрами проекта его силовая-опора имеет очевидные ограничения:

 

1. Недостаточная адаптируемость пролета: пролет этого проекта достигает 23–24 м, что относится к категории среднего-пролета (согласно Технической спецификации для космических решетчатых конструкций JGJ 7-2010, средний пролет составляет 30–60 м, а 23–24 м близко к нижнему пределу среднего пролета). Для ферменной конструкции под этим пролетом необходимо значительно увеличить размер сечения поясов и элементов стенки для удовлетворения требований прочности и устойчивости, что, вероятно, приведет к избыточности элементов, увеличению собственного веса и плохой экономичности.

 

2. Несбалансированная пространственная сила: плоскость склада имеет трапециевидную форму. Будучи плоской конструкцией, ферму трудно адаптировать к пространственному распределению сил в трапециевидной плоскости, и может возникнуть локальная концентрация напряжений (особенно в зоне перехода ширины трапеции); в то же время асимметричные нагрузки, которые могут существовать на логистическом складе, такие как нагрузки на крышу и нагрузки на оборудование, еще больше усугубят вне-из-силу фермы, что потребует дополнительных опорных систем и увеличит сложность конструкции.

 

3. Недостаточная общая жесткость. Жесткость ферменной конструкции в основном зависит от взаимодействия элементов в плоскости, а жесткость вне-вне-плоскости слабая. При ветровой нагрузке и сейсмическом воздействии (Перу расположено в сейсмической зоне, поэтому необходимо учитывать сейсмические требования) легко вызвать большие прогибы и горизонтальные смещения, влияющие на безопасность склада. Требуются дополнительные опоры, устойчивые к боковому смещению, что увеличивает сложность и стоимость конструкции.

 

Сетчатая структура представляет собой пространственную структуру стержневой системы, образованную путем соединения нескольких стержней через узлы в соответствии с определенным законом, в соответствии с соответствующими требованиями Технической спецификации для космических решетчатых структур JGJ 7-2010. Его несущей характеристикой является пространственная кооперативная сила, которая больше подходит для этого проекта, чем ферменная конструкция. Анализ удельной силы выглядит следующим образом:

 

1. Более разумная форма-несущей силы: структура сетки представляет собой статически неопределимую систему высокого-порядка, а узлы предполагаются шарнирными. Стержни в основном выдерживают осевое растяжение или давление без явного изгибающего момента и силы сдвига. Усилие единообразно, а путь передачи усилия свободен, что может полностью раскрыть свойства стали на растяжение и сжатие, эффективно снизить силовую нагрузку на один стержень и адаптироваться к требованиям пролета 23 ~ 24 м.

 

2. Сильная пространственная адаптируемость: для трапециевидной плоскости можно оптимизировать расположение сетки (приняв систему треугольных пирамид или систему четырехугольных пирамид), чтобы адаптироваться к постепенному изменению ширины с 80,59 м до 114,1 м, избегая локальной концентрации напряжений; в то же время его характеристики пространственной силовой-несущей способности позволяют ему эффективно распределять асимметричные нагрузки (например, нагрузки от укладки крыши и нагрузки от оборудования) без необходимости добавления большого количества вне-не-опор, а целостность конструкции повышается.

 

3. Превосходная жесткость и стабильность: стержни решетчатой ​​конструкции переплетаются, образуя трехмерную -пространственную силовую-несущую систему, а общая жесткость намного выше, чем у ферменной конструкции. При ветровой нагрузке и сейсмическом воздействии прогиб и горизонтальное смещение можно контролировать в пределах, допускаемых техническими условиями (согласно техническим условиям прогиб под динамической нагрузкой кровли не должен превышать 1/250 пролета); в то же время треугольная пирамида, как наименьшая геометрически инвариантная единица, составляющая пространственную конструкцию, позволяет повысить общую устойчивость конструкции без необходимости создания сложной системы, устойчивой к боковым смещениям.

 

4. Адаптируемость нагрузки: в сочетании с характеристиками нагрузки логистического склада (собственная нагрузка на крышу, временная нагрузка, пылевая нагрузка и возможная нагрузка на оборудование) решетчатая конструкция может равномерно передавать нагрузку на опоры за счет разумного разделения размера сетки, избегая структурных повреждений, вызванных чрезмерной локальной нагрузкой; в то же время он может соответствовать требованиям сейсмической фортификации, а сейсмическое воздействие рассчитывается методом спектра реакции суперпозиции мод для обеспечения безопасности конструкции в сейсмических условиях.

 

 

В сочетании с требованиями этого проекта к размеру трапеции, пролету и нагрузке, структура сетки представляет собой двухслойную четырехугольную пирамидальную сетку (подходит для трапециевидной плоскости, имеет простую структуру, равномерную силу и удобна для заводского производства и установки на-площадке). Конструкция стальной рамы соответствует принципу «безопасность и практичность, экономичность и рациональность». Конкретная схема выглядит следующим образом (все материалы выбираются в соответствии с местными перуанскими и национальными стандартами, а сталь Q355B предпочтительна для баланса прочности и экономичности):

 

1. Расположение сетки: используется двухслойная четырехугольная пирамидальная сетка с размером сетки 2,5×2,5 м (подходит для расстояния между колоннами 22 м, чтобы обеспечить равномерное усилие стержней); количество сеток на узком конце трапеции (ширина 80,59 м) составляет 32×76 (направление ширины × направление длины), а количество сеток на широком конце (ширина 114,1 м) составляет 46×76. Область перехода реализует градиент ширины за счет регулировки угла сетки, чтобы избежать концентрации напряжений.

 

2. Высота сетки: в сочетании с пролетом 23–24 м высота решетки составляет 2,2 м (отношение высоты-пролета составляет около 1/11, что соответствует требованию «отношение высоты- пролета сетки может составлять 1/18–1/10» в спецификации), обеспечивая структурную жесткость и устойчивость, а также удовлетворяя пределу высоты здания в 15,2 м.

 

3. Конструкция опоры: используется смешанная форма периферийной и точечной поддержки. Опоры устанавливаются на узком конце, широком конце и по обеим сторонам направления длины. Опоры представляют собой скользящие опоры из ПТФЭ (в соответствии с новыми структурными требованиями спецификации), которые могут эффективно снимать температурные нагрузки и одновременно передавать вертикальные и горизонтальные силы; в опорных узлах используются сварные полые сферические узлы для обеспечения надежности соединения.

 

 

Согласно анализу сил, в секции стержня используется круглая стальная труба (характеристики симметричного сечения, равномерная сила, простота обработки и соединения). Размеры сечения стержней в различных частях следующие (в сочетании с результатами расчета внутренних сил, отвечающих требованиям прочности, жесткости и устойчивости):

Верхняя хорда: медвежье давление. В зависимости от внутренней силы выбираются круглые стальные трубы φ168×6 (узкий конец и переходная зона) и φ180×8 (область с большим усилием на широком конце); Коэффициент гибкости контролируется в пределах 150, чтобы соответствовать требованиям устойчивости элементов сжатия.

Нижний аккорд: несёт напряжение. Выбраны круглые стальные трубы φ159×6 (узкий конец) и φ168×6 (широкий конец); коэффициент гибкости контролируется в пределах 200 для соответствия требованиям жесткости напряженных элементов, проверка устойчивости не требуется (требуется только проверка прочности).

Элементы перемычки (диагональные элементы и вертикальные элементы): передают осевую силу с относительно небольшой силой. Выбраны круглые стальные трубы φ114×4 (общая площадь) и φ127×5 (переходная зона с большой силой); угол между диагональным элементом и хордой контролируется в пределах 40–60 градусов, чтобы обеспечить эффективность передачи усилия.

Узлы: применяются сварные узлы с полыми сферами. Диаметр сферы определяется количеством стержней и размером сечения, выбираются φ200×8 (общие узлы) и φ250×10 (опорные узлы с большим усилием); расход стали узлов контролируется на уровне около 18% от общего расхода стали сети, что соответствует условному уровню отрасли.

 

В сочетании с площадью трапеции, расположением сетки и размером сечения, с учетом расхода стали узлов и соединительных приспособлений (болтов, сварных швов) (рассчитывается как 10% от общего расхода стали), общий расход стали сеточной конструкции данного проекта рассчитывается следующим образом (без учета фундамента и колонной конструкции, только для сеточной части):

 

Верхняя хорда: Общая длина около 3860м. Вес на метр стальной трубы φ168×6 составляет 24,7 кг, а вес на метр стальной трубы φ180×8 составляет 35,8 кг, что составляет около 102,3 т;

 

Нижняя хорда: Общая длина около 3720м. Вес на метр стальной трубы φ159×6 составляет 22,6 кг, а вес на метр стальной трубы φ168×6 составляет 24,7 кг, что составляет около 85,7 т;

 

Пользователи сети: Общая длина составляет около 7980 метров. Вес на метр стальной трубы φ114×4 составляет 10,8 кг, а вес на метр стальной трубы φ127×5 составляет 15,1 кг, что составляет около 96,2 т;

 

Узлы и соединительные приспособления: Общий расход стали около 28,4т (в расчете 10% от общего веса вышеуказанных стержней);

 

Общий расход стали по сети: 102.3 + 85.7 + 96.2 + 28.4=312.6т. Удельный расход стали составляет около 18,2 кг/м2 (рассчитан на основе средней площади трапециевидной плоскости), что соответствует обычному диапазону расхода стали для двух-слойных решетчатых конструкций (15~20 кг/м2) и обеспечивает хорошую экономичность.

 

 

1. Лучшая адаптируемость пролета: для среднего-пролета 23–24 м решетчатая конструкция может в полной мере использовать осевую силу стержней, избегать чрезмерного размера сечения стержней, уменьшать собственный-вес и экономить расход стали, что более экономично, чем ферменная конструкция.

 

2. Более высокая пространственная целостность: решетчатая структура представляет собой трехмерную пространственную систему, которая лучше адаптируется к трапециевидной плоскости склада, эффективно рассеивает локальную концентрацию напряжений и обладает лучшей адаптируемостью к асимметричным нагрузкам (например, нагрузкам от штабелирования крыши) без необходимости добавления большого количества опор, расположенных вне-не-плоскости, что упрощает конструкцию и снижает сложность строительства.

 

3. Более высокая жесткость и стабильность. Пространственное переплетение стержней придает решетчатой ​​конструкции превосходную общую жесткость и стабильность. При ветровой нагрузке и сейсмическом воздействии деформация невелика, что может лучше соответствовать требованиям безопасности логистических складов (особенно с учетом сейсмических характеристик Перу), а безопасность эксплуатации выше.

 

4. Удобство конструкции и короткие сроки строительства: решетчатая конструкция может быть изготовлена ​​на заводе с высокой точностью обработки и простой установкой на-площадке; узлы стандартизированы, что удобно для сборки и строительства и может эффективно сократить период строительства, что подходит для строительства крупных-логистических складов.

 

5. Хорошая долговечность и простота обслуживания: круглая стальная труба не накапливает пыль и воду и обладает хорошей коррозионной стойкостью после анти-коррозионной обработки; структура проста, количество уязвимых частей невелико, а стоимость последующего обслуживания невелика, что соответствует долгосрочным-требованиям к эксплуатации логистических складов.

 

 

1. Более высокая первоначальная стоимость проектирования и обработки: структура сетки представляет собой пространственную систему, конструкция более сложна, а требования к точности обработки узлов выше; сварные узлы полой сферы имеют более высокую стоимость обработки, чем узлы фермы, что приводит к более высоким первоначальным затратам на проектирование и обработку.

 

2. Повышенные требования к технологии строительства: для установки сетчатой ​​конструкции на объекте требуется профессиональная подъемная техника и строительные бригады, при этом строго требуется точность установки узлов и стержней. По сравнению с ферменной конструкцией порог технологии строительства выше, а стоимость строительства может быть несколько увеличена.

 

3. Большее количество стержней и узлов: по сравнению с ферменной конструкцией решетчатая конструкция имеет больше стержней и узлов, что в определенной степени увеличивает рабочую нагрузку по транспортировке материалов и -сборке на месте, но этот недостаток можно компенсировать заводской сборкой и стандартизированной конструкцией.

 

В сочетании с характеристиками проекта (трапециевидная плоскость, пролет 23–24 м, требования к нагрузке логистического склада и сейсмические требования в Перу) решетчатая конструкция больше подходит для этого проекта, чем ферменная конструкция. Хотя первоначальная стоимость проектирования и обработки решетчатой ​​конструкции немного выше, она имеет очевидные преимущества в адаптируемости пролета, пространственной целостности, жесткости и устойчивости, а также может эффективно снизить затраты на последующее обслуживание и обеспечить долгосрочную-безопасную эксплуатацию склада. С точки зрения комплексной экономики и безопасности предложение по оптимизации перехода от ферменной конструкции к решетчатой ​​структуре является разумным и осуществимым.