基于全生命周期成本的钢和铝合金网壳结构比较研究

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网壳结构多应用于投资规模大、社会和环境影响大的一些公用建筑和工业建筑中。传统的工程造价方法仅考虑网壳结构在施工建设时期的成本,但是在使用阶段和报废阶段的成本也占一定的比例。本文对钢和铝合金网壳结构进行结构设计和力学性能分析,对其各个阶段成本及全生命周期成本进行对比,优选出了经济性较好的网壳结构方案,实现降低网壳生命周期成本的目标,为实际工程设计提供参考。本文的主要内容及结论如下:(1)运用钢结构设计软件3D3S,建立了两种材料(钢、铝合金)及单层和双层、多种跨度和矢跨比的含钢支承的球面网壳和柱面网壳的结构模型,并对其进行结构设计和力学性能的对比分析。研究表明,钢和铝合金双层网壳在应力比分布、杆件内力和自振频率分布等方面规律相似。但是铝合金6061-T6的弹性模量和密度仅为Q235的1/3并且设计强度略低,所以在结构性能方面会表现出不同。(2)基于全生命周期成本理论,并结合网壳结构的具体特点,划分了网壳结构全生命周期成本的五个阶段:前期准备阶段、设计阶段、施工阶段、维护阶段和拆除阶段。并将网壳结构全生命周期成本划分为以上各个阶段的成本。在已有估算公式的基础上,通过修正维护成本估算公式,完善了网壳结构全生命周期成本估算公式。(3)利用网壳结构全生命周期成本估算公式对钢和铝合金网壳结构进行全生命周期成本分析,对比各个阶段的成本和生命周期总成本。研究表明,建设成本对网壳结构的影响最大,其次是维护成本,钢双层球面网壳的维护成本总是高于铝合金单层和双层球面网壳。(4)对不同跨度和矢跨比的含钢支承的球面网壳结构全生命周期成本进行对比分析。分析结果表明,球面网壳跨度为40m、60m和80m时优选方案分别为矢跨比1/5的铝合金单层球面网壳、矢跨比1/6的铝合金双层球面网壳和矢跨比1/6的铝合金双层球面网壳。另外,也得到了在跨度和矢跨比同时确定下经济性较优的球面网壳结构方案。(5)对钢和铝合金双层柱面网壳进行了全生命周期成本分析。研究表明,当跨度为80m、100m和120m时,优选方案均为钢双层柱面网壳,其生命周期成本比铝合金双层柱面网壳分别低7.0%、8.0%和11.9%。(6)通过网壳结构全生命周期成本的分析结果得出,在许多情况下铝合金网壳与钢网壳的全生命周期成本相当。但铝合金材料不易生锈,省去了繁重的防腐工作,并且建筑效果优于钢材。因此,在实际工程的结构方案选择时,应综合考虑结构全生命周期成本、建筑效果和业主要求等因素确定适宜的结构方案。
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