钢管混凝土网壳的可行性分析

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发布时间：2021-09-12

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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252059；2．深圳机械院建筑设计有限公司，广东深圳518027)
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ANSYS对应用最广的Kiewitt8型(K8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： TU528．571 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2010)03—0051—03
Feasibility analysis of steel tube—confined concrete reticulated shel1
]TNJ／e ，CAIXiang-juan
(1．Liaocheng University，Liaocheng 252059，China；2．Architectural Design Institute ofShenzhen Machinery，Shenzhen 518027，China)
Abstract： Describes steel tube-confined concrete(STCC)reticulated shell structures，which is a new space reticulated shell structures．and re．
searches the material model of simulate components．The united theory for STCC is used to determine the behaviors of the composite materia1． by
means of finite element an alysis program ANSYS，this paper models and resolves the widely used K8 single—layer spherical steel reticulated shell
an d single—layer spherical STCC reticulated shell，draws the load—displacement curve ofsteel reticulated shell and STCC reticulated shell under different
span ，rise-to-span ratio and beam section dimension．Considering the current market price of steel and concrete，the paper made a compara—
tiveanalysisofthetwo concrete reticulated shell on self-weight，bearingcapacity，steelvolume，costs，etc，andpointed outthe superiorityofSTCC
reticulated shel1．
Keywords： steeltube—confinedconcrete reticulated shell；stabilitytheory；ultimatebearing capacity
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76 rnnl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：2009—11-12
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ANSYS
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