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        特殊約束條件下網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)的分析與設(shè)計(jì)

        2013-11-04 06:32:12王建群陳慶生張文元潘蜀京
        建材世界 2013年3期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        王建群,趙 琳,陳慶生,張文元,潘蜀京

        (1.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津 300400;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,哈爾濱 150006)

        1 工程概況

        在大跨度的工業(yè)建筑中(如水泥熟料庫(kù)等),逐漸開始使用具有自重輕、承載力大等[1-2]卓越性能的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。要求網(wǎng)架不但能夠承擔(dān)豎向荷載,還要具有承擔(dān)一定水平荷載的能力,為網(wǎng)架支座設(shè)計(jì)增加了難度,要求支座在水平雙向能夠滿足某些特殊邊界條件。該文以某70.5m 跨度的水泥熟料庫(kù)為例,分析支座條件對(duì)網(wǎng)架性能的影響,并重點(diǎn)對(duì)支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行專門的有限元分析。該水泥熟料庫(kù)網(wǎng)架屋蓋為圓臺(tái)形,Q235鋼材,下部筒體壁厚為600mm,網(wǎng)架錐面傾角約為32°,錐頂平臺(tái)直徑13.7m,整體錐面網(wǎng)架高度約20m。采用等截面的雙層正放四角錐網(wǎng)架,網(wǎng)架詳細(xì)尺寸如圖1所示。由于庫(kù)內(nèi)外溫差較大,為了使溫度變形得到很好的釋放,設(shè)計(jì)了一種能夠沿徑向滑動(dòng)的支座,將網(wǎng)架下弦外環(huán)周邊的18個(gè)節(jié)點(diǎn)定義為支座,同時(shí)這些支座還能夠承擔(dān)網(wǎng)架上部傳來(lái)的水平荷載。

        2 支座約束條件及其對(duì)網(wǎng)架性能的影響

        在支座上施加豎向約束的同時(shí),為使支座能夠徑向滑移而法向不動(dòng),整體分析建模中在每個(gè)支座上設(shè)置了一個(gè)法向剛性系桿,并約束其遠(yuǎn)端的3個(gè)平動(dòng)位移。這樣處理可以確保網(wǎng)架桿件內(nèi)力不受溫度荷載的影響,并能承受錐頂平臺(tái)上較大的水平力作用。支座法向剛性系桿的彈性模量為普通鋼材的108倍,可近似認(rèn)為是無(wú)窮大;線膨脹系數(shù)為0,可確保其長(zhǎng)度不受溫度荷載的影響,不會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力;質(zhì)量密度為0,可確保其重量不參與網(wǎng)架整體用鋼量的統(tǒng)計(jì);屈服點(diǎn)是普通鋼材的1 000倍,確保其不會(huì)屈服或屈曲。

        對(duì)網(wǎng)架支座沿徑向施加彈性約束,考察支座徑向約束條件對(duì)桿件內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形和水平反力等指標(biāo)的影響。表1給出了徑向剛度取不同數(shù)值時(shí)的計(jì)算結(jié)果。可以看出,減小支座水平徑向剛度的做法能夠確保經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)。雖然支座徑向剛度降為0時(shí),下弦外環(huán)桿件的拉力很大,但可以通過增大內(nèi)部相鄰兩環(huán)截面面積的方法得到解決,整體用鋼量也不會(huì)顯著提高。同時(shí),把支座設(shè)計(jì)為徑向可以自由滑動(dòng)的方式,對(duì)下部結(jié)構(gòu)沒有抵抗推力的要求,不會(huì)增加其額外負(fù)擔(dān),簡(jiǎn)化了下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        表1 支座徑向剛度對(duì)網(wǎng)架的影響

        3 支座節(jié)點(diǎn)的有限元分析

        鋼管使用Q235B級(jí)鋼材,螺栓球采用滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)45號(hào)鋼。高強(qiáng)度螺栓經(jīng)熱處理后的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[3]:對(duì)40Cr鋼,40B鋼與20MnTiB鋼,取為430MPa;對(duì)45號(hào)鋼,取為365MPa。支座球節(jié)點(diǎn)直徑均為280mm。桿件截面驗(yàn)算中的應(yīng)力比控制在0.8以內(nèi),確保結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度。受拉桿件長(zhǎng)細(xì)比限值為150,受壓桿件長(zhǎng)細(xì)比限值為100。考慮到網(wǎng)架錐頂平臺(tái)處存在較多設(shè)備,對(duì)結(jié)構(gòu)變形要求較為嚴(yán)格,網(wǎng)架撓度按1/1 000控制[4]。

        3.1 網(wǎng)架支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

        采用如圖2所示的支座形式。

        底板平面尺寸:徑向邊長(zhǎng)430mm,周向邊長(zhǎng)320mm。底板厚30mm,支座加勁肋厚25mm,四個(gè)加勁肋和中間圓管組成的十字形截面短柱高度250mm。肋板最大寬厚比165/25=6.6<13,滿足局部穩(wěn)定要求。設(shè)計(jì)中認(rèn)為所有荷載均由四個(gè)加勁肋承擔(dān),因此中間圓管不必驗(yàn)算,取100×10。支座加勁肋與底板采用全熔透的坡口對(duì)接焊縫,以保證焊縫與加勁肋板等強(qiáng)。支座錨栓取為M30,Q235B 鋼材。長(zhǎng)橢圓孔能夠?qū)崿F(xiàn)徑向滑動(dòng),其長(zhǎng)度由溫度組合下的最大變形確定,并同時(shí)考慮了下部混凝土筒體的溫度變形。支座底板下部采用摩擦系數(shù)極小的聚四氟乙烯墊層。支座法向采用限位板,厚度30mm,此限位板在網(wǎng)架支座就位、網(wǎng)架整體拼裝完成后,采用現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)焊形式固定在庫(kù)壁頂面混凝土的預(yù)埋板上,與網(wǎng)架底板接觸一側(cè)粘貼聚四氟乙烯板以減小摩擦,并適度頂緊,以保證水平力的有效傳遞。

        3.2 支座節(jié)點(diǎn)的有限元建模

        按網(wǎng)架計(jì)算結(jié)果,支座受力的設(shè)計(jì)值[5]按兩種最不利情況考慮:1)壓力最大值789kN,此時(shí)無(wú)水平力;2)法向水平力最大值160kN,此時(shí)最小的壓力為660kN。

        使用Abaqus通用有限元程序建立有限元模型,如圖3(a)所示。支座球節(jié)點(diǎn)使用實(shí)體單元,支座底板、加勁肋、短圓管支柱等采用殼單元。為模擬下部筒壁的鋼筋混凝土,在支座下部設(shè)置了足夠大的混凝土基礎(chǔ),并在基礎(chǔ)表面設(shè)置預(yù)埋鋼板和側(cè)向限位鋼板,此部分亦采用實(shí)體單元?;A(chǔ)的寬度取筒體壁厚700mm,長(zhǎng)度取為3倍支座底板的寬度,高度取800mm(超過錨栓長(zhǎng)度)。由于網(wǎng)架支座向外移動(dòng)的距離較大,故將網(wǎng)架支座底板中心放置在距混凝土筒體內(nèi)壁300mm、距外壁400mm 處。使用連接件單元模擬連接混凝土基礎(chǔ)與支座底板之間的錨栓,連接件的剛度設(shè)為錨栓的軸向剛度EA/L(其中A 為錨栓直徑,L 為錨栓在基礎(chǔ)混凝土頂面與底板上表面之間的長(zhǎng)度,即預(yù)埋板與底板的厚度之和),此連接件僅具有軸向自由度,確保支座滑動(dòng)時(shí)對(duì)連接件沒有影響,錨栓不受力。

        模型的邊界條件:在混凝土基礎(chǔ)的底面施加三個(gè)方向的平動(dòng)約束,在混凝土基礎(chǔ)的一個(gè)側(cè)面施加筒壁的法向約束,以模擬空間不動(dòng)的下部基礎(chǔ)。在支座底板與混凝土基礎(chǔ)表面之間設(shè)置無(wú)摩擦的接觸面,同時(shí)為限制支座底板在法向水平荷載作用下的自由移動(dòng),在支座底板的法向與限位塊之間也設(shè)置接觸面。這種處理可以確保支座底板只能在徑向滑動(dòng),而法向保持不動(dòng)。水平荷載和豎向荷載均施加到支座球節(jié)點(diǎn)中心上。為準(zhǔn)確描述支座在徑向的自由滑動(dòng),按設(shè)計(jì)荷載要求的豎向力和水平力施加完成之后,對(duì)支座的上部球體施加徑向80mm 的位移(向外位移的最大值),用以觀察計(jì)算模型的受力和變形等情況。

        為保證計(jì)算精度,使用的網(wǎng)格密度較大,網(wǎng)架支座的球、加勁肋和底板等鋼材零件的最大網(wǎng)格尺寸為15mm,下部混凝土基礎(chǔ)的最大網(wǎng)格尺寸為30mm。

        3.3 網(wǎng)架支座的應(yīng)力和變形

        工況1)作用下,支座的最大Mises應(yīng)力發(fā)生在豎向荷載作用的球體上,為169 MPa,這是由所使用的加載方式引起的,而支座加勁肋和支承短柱等關(guān)鍵部位的應(yīng)力均不大,基本在80MPa左右。工況2)作用下的應(yīng)力云圖如圖3(b)所示,最大應(yīng)力發(fā)生在支座加勁肋外邊緣與底板相連接處,為219 MPa,其它位置的應(yīng)力均較小。最大應(yīng)力是軸壓與彎矩共同作用的結(jié)果,由于球體下加勁肋和支承圓管的剛度分布并不均勻,其數(shù)值大于簡(jiǎn)化計(jì)算的結(jié)果,但能夠滿足Q235鋼材的設(shè)計(jì)要求。

        工況1)軸壓力作用下的支座僅有豎向變形,最大豎向變形為0.201mm,數(shù)值很小,可以忽略。工況2)軸壓力和水平力共同作用下支座的最大合變形為0.505 mm,其中球節(jié)點(diǎn)中心處最大水平變形分量為0.3mm左右,為支座高度的1/933,數(shù)值仍然很小,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

        3.4 限位板的應(yīng)力

        工況1)作用下,支座沒有法向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),限位板不受力。工況2)作用下,限位板的最大Mises應(yīng)力在40 MPa左右,遠(yuǎn)小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。限位板的應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在加勁肋邊緣處,此處支座底板的剛度最大,是傳遞水平力的最直接位置,此點(diǎn)以外的限位板其它區(qū)域上的應(yīng)力呈對(duì)稱性逐漸降低,如圖3(c)所示。

        3.5 錨栓的受力分析

        工況1)作用下錨栓不受力。工況2)作用下,受拉一側(cè)兩個(gè)錨栓的最大拉力分別為7 829.48 N 和5 133.12N,距離加勁肋較近的錨栓拉力較大,較遠(yuǎn)的錨栓拉力較小??梢园l(fā)現(xiàn)此數(shù)值明顯小于初步設(shè)計(jì)時(shí)的簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果,這是由于簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)假定的混凝土受壓區(qū)合力作用點(diǎn)的位置距離底板中心較近,使簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果偏于保守。圖4給出了工況2)作用下受拉一側(cè)兩個(gè)錨栓的拉力隨荷載步的變化規(guī)律。其中荷載步0~1.0為水平力和豎向力施加的過程,荷載步的增量為0.2倍的設(shè)計(jì)荷載;荷載步1.0~2.0為徑向位移80mm 施加的過程,荷載步的增量亦為20%,即16mm??梢园l(fā)現(xiàn),在0~1.0的水平力和豎向力施加的過程中,錨栓拉力呈線性增大,這是由于支座所受彎矩線性增大的結(jié)果;在1.0~2.0的水平位移施加過程中,隨著支座的向外滑移,滑移之前受力較大的錨栓與加勁肋的距離越來(lái)越遠(yuǎn),故其拉力有所降低,而滑移之前受力較小的錨栓距離加勁肋越來(lái)越近,故其拉力略有增加,此現(xiàn)象符合力學(xué)概念。

        4 結(jié)論

        a.支座徑向剛度為0時(shí),即采用徑向可自由滑動(dòng)的支座,對(duì)溫度作用的釋放效果明顯,可以得到較為優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果,建議類似工程中的網(wǎng)架支座優(yōu)先采用徑向可自由滑動(dòng)的構(gòu)造措施。

        b.通過支座節(jié)點(diǎn)專門的有限元非線性分析,證明了所提出的徑向可滑動(dòng)、法向約束的支座形式構(gòu)造合理,支座各組件(底板、加勁肋、限位板和錨栓等)和基礎(chǔ)混凝土的內(nèi)力和變形等計(jì)算結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求。

        [1]沈祖炎,陳揚(yáng)驥.網(wǎng)架與網(wǎng)殼[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

        [2]赫沙莫夫(蘇),張明宇譯.網(wǎng)架屋蓋的計(jì)算構(gòu)造[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1986.

        [3]GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [4]JGJ 7—91,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

        [5]GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

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