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        MSTCAD 與SAP2000 對帶彈性支座的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體對比分析*

        2015-11-22 01:57:16李樹連肖建春
        關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu)分析

        李樹連,肖建春

        (貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心,貴州 貴陽 550025)

        工程位于貴州省貴陽市,單層廠房,下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),見圖1,C30 混凝土。屋蓋采用螺栓球平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(81×42 m),面積為3402 平方米,平面網(wǎng)格尺寸3 m。網(wǎng)架采用上弦結(jié)構(gòu)找坡,排水坡度5%,最小高度2.1 m,最大高度3.15 m。網(wǎng)架最高處標(biāo)高13.2 m。網(wǎng)架周邊上弦支座采用加勁板式橡膠支座,中部下弦2 點支承采用盆式橡膠支座。所有網(wǎng)架支座安放于鋼筋混凝土框架柱上見圖2,三維視圖見圖3。桿件材料強(qiáng)度為Q235B。支座底板和加勁板使用Q345B,其余鋼材強(qiáng)度均為Q235B。

        該工程采用搭設(shè)滿堂腳手架的方法施工。2010 年11 月完成網(wǎng)架安裝,安裝時間共計25 天。安裝完成后5 天,若干桿件出現(xiàn)了明顯的彎曲變形。這期間網(wǎng)架主要承受恒載和溫差作用。按照文獻(xiàn)[1]提供的方法進(jìn)行檢測,桿件彎曲超過容許值的有113 桿,其中下弦桿5 根,腹桿108 根。變形的桿件主要集中在1 至7軸間靠縱墻A 和B軸的位置。網(wǎng)架最大撓度21 mm,撓跨比在文獻(xiàn)[2]給出的容許值范圍內(nèi)。分析軟件分別是MSTCAD2011、SAP2000 V17.1。

        圖1 網(wǎng)架下部框架結(jié)構(gòu)

        圖2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(腹桿在平面圖中沒有顯示)

        1 有限元分析

        1.1 網(wǎng)架支座剛度

        網(wǎng)架支座由于橡膠板和支座上板開孔小,支座剛度變大。通過計算得出板式橡膠支座在開孔小情況下支座剛度,見表1。

        表1 支座剛度

        MSTCAD 中不可以直接輸入支座的彈性剛度,所以需要利用桿件模擬彈簧連接。SAP2000 中雖然可以直接輸入支座彈性剛度,但是為了對比SAP2000 與MSTCAD 分析結(jié)果,SAP2000 中的模型仍用桿件模擬支座,目的是使SAP2000 中的整體模型與 MSTCAD 整體模型一樣。另外又在SAP2000 和MSTCAD 中建立上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行計算分析,以使結(jié)論更具說服力。

        MSTCAD 與SAP2000 只建立上部網(wǎng)架模型進(jìn)行分析時,需要確定網(wǎng)架的邊界條件,即網(wǎng)架支座的彈性剛度。網(wǎng)架下部模型的支座剛度的確定方法如下:首先在SAP2000 中建立下部框架模型,在網(wǎng)架支座處施加單位力得出此處框架柱的剛度,此剛度與橡膠支座剛度串聯(lián)計算網(wǎng)架支座的最終剛度,之后在MSTCAD 或SAP2000 中只建上部網(wǎng)架模型,并輸入此最終剛度。由于支座橡膠板開孔小,導(dǎo)致支座剛度增大,下部混凝土框架結(jié)構(gòu)需要考慮填充墻的影響。每個支座處剛度都不一樣,具體剛度見模型http://1drv.ms/1b1oKlc。

        計算方法使用同樣的荷載及荷載組合。所有計算方法符合相關(guān)規(guī)范[2]要求。

        模擬彈簧的水平剛度,見圖4、圖5。

        圖3 整體結(jié)構(gòu)三維視圖

        圖4 模擬彈簧側(cè)視圖

        1.2 下部填充墻的剛度計算

        這里所使用的方法是計算填充墻的剛度,將此剛度等代為框架柱間的斜撐,斜撐兩端鉸接,為二力桿,斜撐增大框架柱沿墻方向剛度,對另一方向影響不大。

        圖5 模擬彈簧

        對于填充墻抗側(cè)剛度計算,參考中國規(guī)范[3],此規(guī)范綜合考慮了洞口寬度和洞口高度的影響,文獻(xiàn)[4]也推薦此法,PKPM 從2010 版開始也使用此方法計算填充墻剛度。根據(jù)圖紙,填充墻內(nèi)墻、外墻材料均為300 厚蒸壓加氣混凝土砌塊,B05 級,砌塊強(qiáng)度等級A5.0,參考中國規(guī)范[5],填充墻彈性模量Em=2200 N/mm2,G=0.4E=880 N/mm2,框架柱混凝土C30,彈性模量E=30000 N/mm2。

        無洞墻剛度計算公式:

        [6]取Kw=βK,β為層間剛度影響系數(shù),建議值為0.25。

        有洞墻計算公式:

        Em——砌體彈性模量;

        Acm,I cm——墻的換算截面面積,慣性矩;

        Amn——墻扣除洞口及構(gòu)造柱截面面積后砌體水平截面面積;

        Ac——構(gòu)造柱截面面積;

        ηc——構(gòu)造柱參與抗震墻工作系數(shù),對于端柱和角柱,當(dāng)Hi/Im≥0.5 時,取0.3;當(dāng)當(dāng)Hi/Im<0.5 時,取0.26;對于墻中柱乘以增大系數(shù)1.2,對于墻邊柱乘以增大系數(shù)1.5;

        Hi——i 層層高;

        Im——墻的長度;

        ∑bn——洞口寬度之和;

        λm——彎曲變形影響系數(shù),當(dāng)Hi/Im<1時,取λm=1;

        ψh——洞口影響系數(shù),可按表采用。

        表2 洞口影響系數(shù)ψh

        圖6 A-H軸立面圖

        圖7 H-A軸立面圖

        圖8 1-10軸里面圖

        圖9 10-1軸立面圖

        1)1號填充墻(山墻上側(cè))剛度:

        左側(cè)柱子高度H1=4.5 m,右側(cè)柱高度H2=4.85 m;

        層高H=(4.5+4.85)/2=4.68 m;

        斜撐面積A=K/2×7.6×103/(3×104)=2×105mm2選用400×500 的C30 混凝土柱做斜撐。

        2)2號填充墻(山墻中側(cè))剛度:

        層高H=5.5 m;

        斜撐面積A=kw/2×7.6×103/(3×104)=1.9×105mm2選用400×500 的C30 混凝土柱做斜撐。

        3)3號填充墻剛度:

        層高H=7.42 m;

        斜撐面積A=kw/2×9.0×103/(3×104)=1.15×105mm2選用300×350 斜撐面積除大門處不加斜撐外,本平面內(nèi)均選用300×350 斜撐。

        4)4號填充墻:

        斜撐面積A=kw/2×9.0×103/(3×104)=1.2×105mm2選用300×350 斜撐面積。

        除大門處不加斜撐外,本平面內(nèi)均選用300×350 斜撐面積。

        5)5號填充墻:

        層高H=4.5;

        斜撐面積A=K/2×7.6×103/(3×104)=2.5×105mm2選用500×500 的C30 混凝土柱做斜撐。

        縱墻上部全部選用500×500 的C30 混凝土柱做斜撐。

        6)對于7號填充墻:

        斜撐面積A=Kw/2×11.7×103/(3×104)=1.6×105mm2選用400×400 斜撐,本平面內(nèi)均選用400×400 斜撐。

        對于6號填充墻,其開洞較7號填充墻少,也采用400×400 斜撐等效代替填充墻剛度。1-10軸里面圖顯示的填充墻也用400×400 C30 混凝土斜撐等效代替。

        1.3 荷載

        1)恒荷載:上弦0.3 kN/m2(屋面保溫、防水、檁條、支托)。

        2)活荷載:上弦0.2 kN/m2(雪荷載),下弦0.45 kN/m2(鋼格柵,發(fā)現(xiàn)桿件變形時未安裝管道)。

        3)風(fēng)荷載:

        風(fēng)荷載1,左風(fēng)0.30 kN/m2,右風(fēng)-0.30 kN/m2。

        風(fēng)荷載2,左風(fēng)-0.30 kN/m2,右風(fēng)0.30 kN/m2。

        4)溫度荷載:升溫25 度,降溫25 度。

        1.4 荷載組合

        1)1.00 靜+1.00 溫(+)

        2)1.00 靜+1.00 溫(-)

        3)1.00 靜+1.00 活1+1.00 溫(+)

        4)1.00 靜+1.00 活1+1.00 溫(-)

        5)1.00 靜+1.00 風(fēng)1+1.00 溫(+)

        6)1.00 靜+1.00 風(fēng)1+1.00 溫(-)

        7)1.00 靜+1.00 風(fēng)2+1.00 溫(+)

        8)1.00 靜+1.00 風(fēng)2+1.00 溫(-)

        9)1.00 靜+1.00 活1+1.00 風(fēng)1+1.00溫(+)

        10)1.00 靜+1.00 活1+1.00 風(fēng)2+1.00溫(+)

        11)1.00 靜+1.00 活1+1.00 風(fēng)1+1.00溫(-)

        12)1.00 靜+1.00 活1+1.00 風(fēng)2+1.00溫(-)

        2 分析結(jié)果

        計算結(jié)果對比,見表3。

        表3

        網(wǎng)架的初始缺陷會嚴(yán)重降低網(wǎng)架的承載能力,文獻(xiàn)[7]通過對不同網(wǎng)架類型的分析比較后得出此結(jié)論。

        由于MSTCAD 與SAP2000 計算精度不同,即使在同一軟件中,SAP2000 整體模型與SAP2000簡化模型對支座處理不同,結(jié)果也會有差異,但其內(nèi)力分布規(guī)律是一致的,這種一致性可以通過不同模型間超應(yīng)力桿件是否重合看出:

        SAP2000 整體模型與SAP2000 簡化模型重合超應(yīng)力桿件:90 根

        SAP2000 整體模型與MSTCAD 簡化模型重合超應(yīng)力桿件:100 根

        SAP2000 簡化模型與MSTCAD 簡化模型重合超應(yīng)力桿件:106 根

        由此可見問題出在MSTCAD 整體建模出現(xiàn)問題,MST 計算網(wǎng)架模型通常分開建模,即網(wǎng)架模型單獨建模,當(dāng)我們討論建筑結(jié)構(gòu)的魯棒性[8]時,軟件的魯棒性同樣需要重視,復(fù)雜的模型會降低軟件的魯棒性。

        表4 是考慮填充墻剛度影響和不考慮填充墻剛度影響時,網(wǎng)架超應(yīng)力桿件數(shù)和最大應(yīng)力。

        表4 填充墻對網(wǎng)架分析的影響

        可以看出是否考慮填充墻對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,但影響并不大。實際設(shè)計時可以通過獨立建模,將鉸接支座設(shè)置為固接,增大超應(yīng)力桿件的截面面積,使上部結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)不同的支座剛度。

        當(dāng)分析整體結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)時,整體建模會導(dǎo)致子結(jié)構(gòu)的邊界條件與實際結(jié)構(gòu)邊界條件并不一致,通過子結(jié)構(gòu)單獨建模,改變結(jié)構(gòu)的邊界條件,增大超應(yīng)力桿件截面面積,來提高結(jié)構(gòu)的魯棒性。對于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力分析,獨立建模完全可以滿足結(jié)構(gòu)的安全性。

        3 總結(jié)

        通過本文,在遇到類似工程事故時,提供借鑒。如軟件的正確使用,分析時最好使用兩個以上的軟件分析,同時對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚恚谶m當(dāng)?shù)那闆r下仍可以獲得需要的就算結(jié)果,當(dāng)然,簡化模型的前提是建立在已有的豐富經(jīng)驗的基礎(chǔ)上獲得的。

        參考文獻(xiàn):

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        [5]中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司.蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].2011.

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        [7]吳軍強(qiáng),李海旺.不同類型單層球面網(wǎng)殼動力時程分析[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014(1):67-71.

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