Dự án nhà kho tiền chế hậu cần Peru: Sơ đồ thiết kế và phân tích kết cấu

Dự án kho hậu cần Peru: Sơ đồ phân tích và thiết kế kết cấu

 

 

Dự án này là một nhà kho hậu cần ở Peru, có mặt phẳng chính hình thang. Các thông số kích thước cốt lõi là: chiều rộng 80,59 ~ 114,1m (hai cạnh song song của hình thang), chiều dài 190m và chiều cao tòa nhà 15,2m; nhịp kết cấu là 23 ~ 24m và khoảng cách cột (khoảng cách giữa mỗi nhịp) là 22m. Thiết kế ban đầu của khách hàng sử dụng cấu trúc giàn. Dựa trên kích thước nhịp, đặc điểm tải trọng và yêu cầu sử dụng của kho hậu cần, CBC đề xuất cấu trúc lưới cho khách hàng. có thể đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu của khách hàng và giảm mức sử dụng thép tổng thể.

 

 

Cấu trúc giàn là một hệ thống chịu lực phẳng,{0}}chủ yếu bao gồm các dây trên, dây dưới và các thanh thành. Đặc tính chịu lực của nó tập trung trong mặt phẳng: các dây trên chịu áp, các dây dưới chịu lực căng và các bộ phận bụng (các bộ phận chéo và các bộ phận dọc) truyền lực cắt. Tải trọng tổng thể được cân bằng bởi lực dọc trục của các cấu kiện. Kết hợp với các thông số của dự án, khả năng chịu lực-của nó có những hạn chế rõ ràng:

1. Khả năng thích ứng nhịp không đủ: Nhịp của dự án này đạt 23~24m, thuộc loại nhịp-trung bình (theo Thông số kỹ thuật cho kết cấu lưới không gian JGJ 7-2010, nhịp trung bình là 30m~60m và 23~24m gần với giới hạn dưới của nhịp trung bình). Đối với kết cấu giàn theo nhịp này cần phải tăng đáng kể kích thước tiết diện của dây cung và các thanh bụng để đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ ổn định, điều này dễ dẫn đến dư thừa cấu kiện, tăng trọng lượng bản thân và tính kinh tế kém.

2. Lực không gian không cân bằng: Mặt phẳng kho có dạng hình thang. Là một cấu trúc phẳng, giàn khó thích ứng với sự phân bố lực trong không gian của mặt phẳng hình thang và dễ xảy ra sự tập trung ứng suất cục bộ (đặc biệt là ở khu vực chuyển tiếp chiều rộng hình thang); đồng thời, các tải trọng không đối xứng có thể tồn tại trong kho hậu cần, chẳng hạn như tải trọng xếp chồng trên mái nhà và tải trọng thiết bị, sẽ làm trầm trọng thêm lực -ngoài-mặt phẳng của giàn, đòi hỏi hệ thống hỗ trợ bổ sung và tăng độ phức tạp trong thiết kế.

3. Độ cứng tổng thể không đủ: Độ cứng của kết cấu giàn chủ yếu phụ thuộc vào hoạt động phối hợp của các bộ phận trong mặt phẳng và độ cứng-ngoài{2}}mặt phẳng yếu. Dưới tải trọng gió và tác động địa chấn (Peru nằm trong vùng địa chấn nên cần xem xét yêu cầu về địa chấn) dễ sinh ra độ võng và chuyển vị ngang lớn, ảnh hưởng đến an toàn của nhà kho. Cần có thêm các giá đỡ chống dịch chuyển ngang, làm tăng độ khó và chi phí thi công.

 

 

Cấu trúc lưới là cấu trúc hệ thống thanh không gian, được hình thành bằng cách kết nối nhiều thanh thông qua các nút theo một quy luật nhất định, tuân theo các yêu cầu liên quan của Thông số kỹ thuật cho cấu trúc lưới không gian JGJ 7{1}}2010. Đặc tính chịu lực của nó là lực hợp tác không gian, phù hợp với dự án này hơn là kết cấu giàn. Phân tích lực cụ thể như sau:

1. Dạng chịu lực-hợp lý hơn: Cấu trúc lưới là một hệ thống-không xác định tĩnh bậc cao và các nút được coi là có bản lề. Các thanh chủ yếu chịu lực căng hoặc áp suất dọc trục, không có mô men uốn và lực cắt rõ ràng. Lực đồng đều và đường truyền lực rõ ràng, có thể phát huy tối đa tính chất kéo và nén của thép, giảm tải trọng lực của một thanh một cách hiệu quả và thích ứng với yêu cầu nhịp 23 ~ 24m.

2. Khả năng thích ứng không gian mạnh mẽ: Đối với mặt phẳng hình thang, có thể tối ưu hóa bố cục lưới (áp dụng hệ thống kim tự tháp tam giác hoặc hệ thống kim tự tháp tứ giác) để thích ứng với sự thay đổi dần chiều rộng từ 80,59m đến 114,1m, tránh tập trung ứng suất cục bộ; đồng thời, đặc tính chịu lực không gian-của nó cho phép nó phân tán hiệu quả các tải trọng không đối xứng (chẳng hạn như tải trọng xếp chồng lên mái nhà và tải trọng thiết bị) mà không cần thêm một số lượng lớn các giá đỡ ngoài{4}}của-mặt phẳng và tính toàn vẹn của cấu trúc chắc chắn hơn.

3. Độ cứng và độ ổn định tuyệt vời: Các thanh của cấu trúc lưới được đan xen để tạo thành hệ thống chịu lực không gian ba chiều-và độ cứng tổng thể cao hơn nhiều so với cấu trúc giàn. Dưới tác dụng của tải trọng gió và địa chấn, độ võng và chuyển vị ngang có thể được kiểm soát trong phạm vi quy định kỹ thuật cho phép (theo quy định kỹ thuật, độ võng dưới tải trọng trực tiếp của mái không được vượt quá 1/250 nhịp); đồng thời, hình chóp tam giác, là đơn vị bất biến hình học nhỏ nhất cấu thành cấu trúc không gian, có thể cải thiện độ ổn định tổng thể của cấu trúc mà không cần thiết lập hệ thống chống dịch chuyển ngang phức tạp.

4. Khả năng thích ứng với tải trọng: Kết hợp với các đặc tính tải trọng của kho hậu cần (tải trọng mái, tải hoạt động, tải bụi và tải thiết bị có thể), cấu trúc lưới có thể truyền tải đồng đều đến các giá đỡ bằng cách phân chia kích thước lưới hợp lý, tránh hư hỏng kết cấu do tải trọng cục bộ quá mức; đồng thời có thể đáp ứng yêu cầu gia cố địa chấn và tác động địa chấn được tính toán bằng phương pháp phổ phản ứng chồng chất chế độ để đảm bảo an toàn cho công trình trong điều kiện địa chấn.

 

 

Kết hợp với các yêu cầu về kích thước hình thang, nhịp và tải trọng của dự án này, cấu trúc lưới sử dụng lưới hình chóp tứ giác hai lớp (phù hợp với mặt phẳng hình thang, có cấu trúc đơn giản, lực đồng đều và thuận tiện cho việc sản xuất tại nhà máy cũng như-lắp đặt tại chỗ). Thiết kế khung thép tuân theo nguyên tắc “an toàn và ứng dụng, tiết kiệm và hợp lý”. Đề án cụ thể như sau (tất cả các vật liệu được lựa chọn phù hợp với tiêu chuẩn địa phương của Peru và tiêu chuẩn quốc gia, và thép Q355B được ưu tiên để cân bằng giữa sức bền và tính kinh tế):

 

1. Bố trí lưới: Sử dụng lưới hình chóp tứ giác hai lớp, có kích thước lưới 2,5m×2,5m (phù hợp với khoảng cách cột 22m để đảm bảo lực đồng đều của các thanh); số lưới ở đầu hẹp của hình thang (rộng 80,59m) là 32×76 (hướng rộng × hướng dài), và số lượng lưới ở đầu rộng (rộng 114,1m) là 46×76. Vùng chuyển tiếp nhận ra độ dốc chiều rộng bằng cách điều chỉnh góc lưới để tránh sự tập trung ứng suất.

2. Chiều cao lưới: Kết hợp với nhịp 23~24m, chiều cao lưới là 2,2m (tỷ lệ nhịp-chiều cao khoảng 1/11, đáp ứng yêu cầu về "tỷ lệ nhịp-chiều cao của lưới có thể là 1/18 ~ 1/10" trong thông số kỹ thuật), đảm bảo độ cứng và ổn định của kết cấu và đáp ứng giới hạn chiều cao công trình là 15,2m.

3. Thiết kế hỗ trợ: Một hình thức hỗ trợ ngoại vi và hỗ trợ điểm hỗn hợp được áp dụng. Các giá đỡ được đặt ở đầu hẹp, đầu rộng và cả hai bên theo chiều dài. Các giá đỡ là các giá đỡ trượt PTFE (phù hợp với các yêu cầu kết cấu mới của thông số kỹ thuật), có thể giải phóng ứng suất nhiệt độ một cách hiệu quả và truyền lực dọc và ngang cùng một lúc; các nút hỗ trợ sử dụng các nút hình cầu rỗng được hàn để đảm bảo độ tin cậy của kết nối.

 

Theo phân tích lực, tiết diện của thanh sử dụng ống thép tròn (đặc điểm tiết diện đối xứng, lực đồng đều, dễ gia công và kết nối). Kích thước tiết diện các thanh ở các phần khác nhau như sau (kết hợp với kết quả tính toán nội lực, đáp ứng yêu cầu về độ bền, độ cứng và độ ổn định):

Hợp âm trên: Chịu áp lực. Theo nội lực, chọn ống thép hình tròn φ168×6 (đầu hẹp và chuyển tiếp) và φ180×8 (diện tích chịu lực lớn ở đầu rộng); tỷ lệ độ mảnh được kiểm soát trong khoảng 150 để đáp ứng yêu cầu ổn định của cấu kiện chịu nén.

Hợp âm dưới: Chịu lực căng. Lựa chọn ống thép tròn φ159×6 (đầu hẹp) và φ168×6 (đầu rộng); tỷ lệ độ mảnh được kiểm soát trong phạm vi 200 để đáp ứng yêu cầu về độ cứng của bộ phận chịu kéo và không cần kiểm tra độ ổn định (chỉ cần kiểm tra độ bền).

Các thanh bụng (các thanh chéo và các thanh dọc): Truyền lực dọc trục, với lực tương đối nhỏ. Lựa chọn ống thép tròn φ114×4 (diện tích chung) và φ127×5 (diện tích chuyển tiếp chịu lực lớn); góc giữa thành phần đường chéo và dây cung được kiểm soát trong khoảng 40 độ ~ 60 độ để đảm bảo hiệu quả truyền lực.

Nút: Các nút hình cầu rỗng được hàn được sử dụng. Đường kính hình cầu được xác định theo số lượng thanh và kích thước mặt cắt, chọn φ200×8 (các nút chung) và φ250×10 (các nút hỗ trợ có lực lớn); mức tiêu thụ thép của các nút được kiểm soát ở mức khoảng 18% tổng lượng tiêu thụ thép của lưới điện, phù hợp với mức thông thường của ngành.

 

Kết hợp với diện tích hình thang, bố trí lưới và kích thước mặt cắt, có xét đến lượng thép tiêu hao của các nút và phụ kiện nối (bu lông, mối hàn) (được tính bằng 10% tổng lượng thép tiêu thụ), tổng lượng thép tiêu hao của kết cấu lưới của dự án này được tính như sau (không bao gồm kết cấu móng và cột, chỉ tính riêng phần lưới):

Dây trên: Tổng chiều dài khoảng 3860m. Trọng lượng mỗi mét ống thép φ168×6 là 24,7kg, và trọng lượng mỗi mét ống thép φ180×8 là 35,8kg, tổng cộng khoảng 102,3t;

Dây dưới: Tổng chiều dài khoảng 3720m. Trọng lượng mỗi mét ống thép φ159×6 là 22,6kg, và trọng lượng mỗi mét ống thép φ168×6 là 24,7kg, tổng cộng khoảng 85,7t;

Thành viên web: Tổng chiều dài khoảng 7980m. Trọng lượng mỗi mét ống thép φ114×4 là 10,8kg, và trọng lượng mỗi mét ống thép φ127×5 là 15,1kg, tổng cộng khoảng 96,2t;

Các nút và phụ kiện kết nối: Tổng lượng thép tiêu thụ khoảng 28,4 tấn (tính bằng 10% tổng trọng lượng của các thanh trên);

Tổng lượng thép tiêu thụ của lưới: 102.3 + 85.7 + 96.2 + 28.4=312.6t. Mức tiêu thụ thép đơn vị là khoảng 18,2kg/㎡ (được tính dựa trên diện tích trung bình của mặt phẳng hình thang), phù hợp với phạm vi tiêu thụ thép đơn vị thông thường của kết cấu lưới hai lớp-(15~20kg/㎡) và có tính kinh tế tốt.

 

 

1. Khả năng thích ứng nhịp tốt hơn: Đối với nhịp-trung bình từ 23~24m, kết cấu lưới có thể tận dụng tối đa lực dọc trục của các thanh, tránh kích thước tiết diện của các thanh quá mức, giảm-trọng lượng bản thân và tiết kiệm lượng tiêu thụ thép, tiết kiệm hơn kết cấu giàn.

2. Tính toàn vẹn không gian mạnh mẽ hơn: Cấu trúc lưới là một hệ thống không gian ba{1}}chiều, có thể thích ứng tốt hơn với mặt phẳng hình thang của nhà kho, phân tán hiệu quả sự tập trung ứng suất cục bộ và có khả năng thích ứng tốt hơn với các tải trọng không đối xứng (chẳng hạn như tải trọng xếp chồng lên mái nhà), mà không cần thêm số lượng lớn các giá đỡ ngoài{2}}của-mặt phẳng, đơn giản hóa cấu trúc và giảm độ khó khi xây dựng.

3. Độ cứng và độ ổn định cao hơn: Sự đan xen không gian của các thanh làm cho cấu trúc lưới có độ cứng và độ ổn định tổng thể tuyệt vời. Dưới tải trọng gió và tác động địa chấn, biến dạng nhỏ, có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu an toàn của kho hậu cần (đặc biệt là xem xét đặc điểm địa chấn của Peru), và độ an toàn vận hành cao hơn.

4. Thi công thuận tiện và thời gian thi công ngắn: Cấu trúc lưới có thể được đúc sẵn tại nhà máy, với độ chính xác xử lý cao và-lắp đặt tại chỗ đơn giản; các nút được tiêu chuẩn hóa, thuận tiện cho việc lắp ráp và xây dựng, đồng thời có thể rút ngắn thời gian xây dựng một cách hiệu quả, phù hợp với nhu cầu xây dựng của các kho hậu cần quy mô lớn-.

5. Độ bền tốt và bảo trì dễ dàng: Phần ống thép hình tròn không dễ tích tụ bụi và nước, đồng thời có khả năng chống ăn mòn tốt sau khi xử lý chống{1}}ăn mòn; cấu trúc đơn giản, số lượng bộ phận dễ bị tổn thương ít và chi phí bảo trì sau này thấp, phù hợp với-nhu cầu vận hành lâu dài của kho hậu cần.

 

 

1. Chi phí xử lý và thiết kế ban đầu cao hơn: Cấu trúc lưới là một hệ thống không gian, thiết kế phức tạp hơn và yêu cầu về độ chính xác xử lý nút cao hơn; các nút hình cầu rỗng được hàn có chi phí xử lý cao hơn các nút giàn, dẫn đến chi phí xử lý và thiết kế ban đầu cao hơn.

2. Yêu cầu cao hơn về công nghệ xây dựng: Việc-lắp đặt cấu trúc lưới tại công trường yêu cầu đội thi công và thiết bị nâng chuyên nghiệp, đồng thời yêu cầu nghiêm ngặt độ chính xác khi lắp đặt các nút và thanh. So với kết cấu giàn, ngưỡng công nghệ xây dựng cao hơn và chi phí xây dựng có thể tăng nhẹ.

3. Số lượng thanh và nút lớn hơn: So với cấu trúc giàn, cấu trúc lưới có nhiều thanh và nút hơn, điều này làm tăng khối lượng công việc vận chuyển vật liệu và{1}}lắp ráp tại chỗ ở một mức độ nhất định, nhưng nhược điểm này có thể được bù đắp bằng việc chế tạo sẵn tại nhà máy và xây dựng theo tiêu chuẩn.

 

 

Kết hợp với các đặc điểm của dự án (mặt phẳng hình thang, nhịp 23~24m, yêu cầu về tải trọng kho hậu cần và yêu cầu về địa chấn ở Peru), cấu trúc lưới phù hợp hơn với dự án này so với cấu trúc giàn. Mặc dù chi phí thiết kế và xử lý ban đầu của cấu trúc lưới cao hơn một chút nhưng nó có lợi thế rõ ràng về khả năng thích ứng nhịp, tính toàn vẹn về không gian, độ cứng và độ ổn định, đồng thời có thể giảm chi phí bảo trì sau này một cách hiệu quả và đảm bảo-hoạt động an toàn lâu dài của nhà kho. Từ góc độ kinh tế và an toàn toàn diện, đề xuất tối ưu hóa việc chuyển từ kết cấu giàn sang kết cấu lưới là hợp lý và khả thi.