程達

摘要：通過兩種三維有限元力學(xué)模型，分別計算分析鋼平臺在剛性連接和定向滑動連接兩種柱腳節(jié)點連接情況下的力學(xué)性能。結(jié)合兩種不同數(shù)模分析方法的優(yōu)缺點并它們的計算結(jié)果，分析兩種柱腳節(jié)點連接設(shè)計方法對鋼平臺結(jié)構(gòu)體系的影響，提出了可以適合實際工程的柱腳節(jié)點設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：鋼平臺；柱腳節(jié)點；有限元；設(shè)計方法；定向滑動連接

0 前言

為了滿足工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計要求，需要在下部支撐結(jié)構(gòu)上建立鋼平臺，其柱腳節(jié)點設(shè)計多以剛性連接為主，導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)之間的不協(xié)調(diào)變形在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時剛性連接的鋼平臺本身產(chǎn)生彎矩會傳遞給下部支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致下部支撐鋼架構(gòu)件平面外失穩(wěn)破壞。

1 柱腳節(jié)點設(shè)計

柱腳節(jié)點剛性連接采用焊接于下部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，柱腳節(jié)點滑動連接采用聚氯乙烯布作為滑動隔離層，并在柱腳周圍設(shè)置可靠擋板限制平面內(nèi)水平位移。

2 鋼平臺力學(xué)模型

2.1 邊界條件

空間桿系單元的每個端點有6個自由度、即3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。本文定義的柱腳節(jié)點邊界條件分為兩種：一種是常規(guī)的剛性連接（邊界條件1，下同），即鋼平臺柱腳與剛體約束三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度；一種是定向滑動支座（邊界條件2），即釋放柱腳一個上下自由度和三個繞形心軸線的轉(zhuǎn)動自由度，限制平面內(nèi)水平方向兩個自由度。

考慮到滑動連接在長期受力、滑動系統(tǒng)老化等限制滑動有效實現(xiàn)的問題，這里的邊界條件2限制平面內(nèi)水平方向兩個自由度是與實際工程所采用的定向滑動連接方式是比較接近的。

2.2 荷載定義

根據(jù)實際工程，按照恒荷載、活荷載[1]，地震力[2]建立不同荷載工況（地震分別采用底部剪力法和振型分解法），分析工況按照靜態(tài)線性疊加。荷載組合分三種情況：

荷載組合1：1.2恒荷載+1.4活荷載

荷載組合2：1.2（恒荷載+0.5活荷載）+1.3地震力（X方向）

荷載組合3：1.2（恒荷載+0.5活荷載）+1.3地震力（Y方向）

2.3 力學(xué)模型建立

下部支撐鋼構(gòu)架的主體結(jié)構(gòu)在三維模型中定義為剛體，即不考慮主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向力和變形對上部鋼平臺的影響。鋼平臺結(jié)構(gòu)依據(jù)前述的結(jié)構(gòu)體系建立空間桿系模型，根據(jù)有限元連續(xù)性假定，采用三維實體單元[3]對結(jié)構(gòu)進行劃分模擬空間受力，通過定義的兩種不同邊界條件的柱腳連接方法，利用SAP2000和Midas Gen兩個三維空間有限元軟件通過建立材料合理的本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)模型對結(jié)構(gòu)進行研究。兩種軟件均采用空間迭代法進行有限元計算。

3 數(shù)模分析

在相同的荷載情況下，分別對柱腳剛性連接和定向滑動連接兩種模型的三個柱腳節(jié)點的計算結(jié)果進行分析。

3.1 空間變形分析

圖1～圖2清晰地顯示了在不同約束在相同荷載組合下的變形情況，定向滑動支座相對剛接的空間變形略大，表明柱腳定向滑動連接可以通過自身的空間協(xié)調(diào)變形和相對下部支撐結(jié)構(gòu)的滑動減少對支撐結(jié)構(gòu)的變形影響。

通過Midas Gen（振型分解法）得出的空間變形圖3～圖4及表1也反應(yīng)了鋼平臺跨中撓度定向滑動連接較剛性偏大1～2mm。

根據(jù)文獻[4]給出的容許撓度限值要求可以得出，平臺梁容許撓度值為 >5mm（表1），說明鋼梁在定向滑動支座這種邊界條件下滿足變形要求。

定向滑動支座在保證鋼平臺良好的變形能力前提下，減小了鋼平臺空間變形對下部支撐結(jié)構(gòu)的影響。而且符合抗震概念設(shè)計中的兩種不同結(jié)構(gòu)之間應(yīng)各自有良好的變形能力和耗能能力，避免不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致兩種不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布。

4 結(jié)語

上部鋼平臺與下部支撐結(jié)構(gòu)之間采用有效的定向滑動連接，其力學(xué)傳遞路徑明確，最大限度保證了鋼平臺通過本身的空間協(xié)調(diào)變形減小對下部支撐結(jié)構(gòu)的影響，減少對支撐結(jié)構(gòu)的破壞。

根據(jù)工程實踐證明，所提出定向滑動柱腳設(shè)計方法在工業(yè)建筑的鋼支架及鋼平臺設(shè)計中起到了重要作用。另外，定向滑動柱腳設(shè)計方法減少施工機械投入，便于安裝，節(jié)省人力成本。

參考文獻：

[1]GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]蔣有諒.非線性有限元法.北京：北京工業(yè)學(xué)院出版社.1988

[4]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：建筑工業(yè)出版社，2003