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雪載荷下鋼結構屋頂的可靠性研究

來源:原創論文網 添加時間:2019-06-20

  摘    要: 本文研究分析了極端雪荷載下鋼結構屋頂的可靠性, 首先對鋼結構屋頂進行了分析, 得出了由空腹式鋼托梁構成的屋頂跨度與應力的關系, 給出了寬翼緣型鋼構成空腹式鋼托梁屋頂參數。其次根據鋼結構屋頂與雪載荷的隨機分布參數, 給出了鋼結構屋頂計算的極限狀態函數, 該函數是一個隱式函數, 采用蒙特卡羅方法計算出了鋼結構屋頂在考慮自重與雪載荷下的可靠性指標。最后, 由所計算得到的鋼屋頂結構的可靠度, 對鋼結構屋頂的可靠性與安全運行給出了合理建議。

  關鍵詞: 雪載荷; 鋼結構; 屋頂; 可靠性;

  1、 引言

  大跨度鋼構屋頂目前在世界范圍內被廣泛應用于各類場合如:火車站, 機場, 倉庫等地方。文獻[1]對于鋼結構屋頂的設計參數, 承受的重量進行了研究, 給出了鋼結構屋頂設計最少參數與注意事項。以武漢游泳館屋頂網架結構為工程背景, 對其安全預警系統進行了研究。及時告知用戶, 對該屋頂網架結構的積雪厚度進行安全預警。在雪荷載下鋼屋頂結構的倒塌可能會損害建筑物居住者, 損害建筑物, 設備或商品損失, 增加維修費用等造成的后果難以計算, 本文對于由開式腹板鋼托梁支撐的鋼屋頂的可靠性進行了分析, 考慮了雪和雪的不確定性, 通過蒙特卡羅模擬鋼結構屋頂的靜載荷和容量, 得到剛屋頂結構可靠性分析結果, 最后通過個算例說明本文方法的可行性與有效性。

  2、 鋼結構屋頂

  預先制成的空腹式鋼托梁是鋼結構屋頂的主要元件, 它是由水平放置兩根桁架梁構成的上弦, 下弦與中間桁架構成豎腹桿構成的鋼網組成的。該鋼托梁的上下弦由寬翼緣型鋼構成, 寬翼緣型鋼屬于H型鋼。該鋼材形狀的特點是翼緣寬度大于或等于腹板高度。一般的鋼結構屋頂以寬翼緣作為梁, 該結構的特點是型鋼的截面模數、慣性矩及相應的強度均明顯優于同樣單重的普通工字鋼。不論是承受彎曲力矩、壓力負荷、偏心負荷都具有比其他型鋼優越性能, 承載能力較大, 構成的鋼結構屋頂比其他型鋼構成的屋頂重量減輕10%~40%。而且寬翼緣型鋼具有翼緣寬、腹板薄、規格多, 因而在制造鋼結構屋頂時具有拼接靈活, 造型美觀的優點。另外由于其翼緣內外側平行, 緣端呈直角, 便于拼裝組合成各種構件, 從而可節約焊接、鉚接工作量25%左右, 能大大加快工程的建設速度, 縮短工期。空腹式鋼托梁構成的鋼結構屋頂是由若干橫豎的梁構成的方形或者矩形網格上面鋪上蒙皮建設成為遮風擋雨的屋頂。
 

雪載荷下鋼結構屋頂的可靠性研究
 

  3 、雪載荷下屋頂可靠性分析

  設鋼結構屋頂自重為B, 其對應的應力為b, 雪載荷為X, 其對應的應力為x, 屋頂的承受極限載荷為W, 其對應強度為w, 屋頂可靠性指標為β, 以上量均為隨機變量, 由可靠性定義, 則有鋼結構屋頂極限狀態方程為:

  如果L>0, 則說明鋼結構屋頂安全, 否則鋼結構屋頂失效。

  (1) 式是一個隱函數, 可用蒙特卡羅方法進行計算。

  屋頂自重和雪載荷的概率分布如表1所示:

  表1 鋼結構屋頂自重載荷與雪載荷隨機分布參數
表1 鋼結構屋頂自重載荷與雪載荷隨機分布參數

  空腹式鋼托梁隨機分布參數如表2所示:

  表2 空腹鋼托梁的隨機分布參數
表2 空腹鋼托梁的隨機分布參數

  式 (1) 是一個隱函數, 根據表1、表2, 可用蒙特卡羅方法進行計算其可靠性指標為1.45, 反查正態函數分布表可得鋼結構屋頂的可靠度為0.9265。

  由計算結果可以看出, 該鋼結構屋頂在服役期內可靠性是比較高的, 但遇到極端天氣時, 就要安排人員及時清理積雪, 對屋頂進行維護。

  4、 結束語

  另外, 本分析方法在應用時應充分考慮氣候和地質分布的差異, 年最大雪荷載對可靠性的分析產生影響較大, 同時改變屋頂的物理特性對可靠性指標影響不大。其次, 鋼結構屋頂的可靠性與維護性之間有很強的相互關系。最后對于在考慮的建筑物中, 設計撓度極限導致了更大的截面尺寸, 從而產生了相當大的改進安全性, 可維護性, 提高可靠性指標。

  參考文獻

  [1]方永鋒, 陳建軍, 馬洪波.共同隨機載荷下結構動態可靠性分析[J].應用力學學報, 2016, 33 (02) :345-351+379.
  [2]Geis J, Strobel K, Liel A.Snow-induced building failures[J].J Perform Constr Facil, 2012 (26) :377-388.
  [3]FAng Y, TAo W, Tee KF.A new computational method for structural reliability with big data[J].eksploatacja i niezawodnoscMaintenance and Reliability 2019, 21 (01) :159-163.
  [4]方永鋒, 陳建軍.結構模糊參數的帝國競爭算法可靠性計算[J].力學季刊, 2017, 38 (02) :311-317.

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