沈　磊

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

?

型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)軟件在鐵路站房中的應(yīng)用研究

沈磊

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：根據(jù)現(xiàn)行《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)并結(jié)合新頒布的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，利用C#語(yǔ)言編制了型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)軟件。相關(guān)工程實(shí)例應(yīng)用表明，該軟件可以根據(jù)通用有限元計(jì)算軟件Midas Gen的計(jì)算結(jié)果，按照相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)型鋼混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行批量設(shè)計(jì)，其被廣泛應(yīng)用在大跨度鐵路站房設(shè)計(jì)中，提高了站房工程的設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土梁;大跨度;鐵路站房;通用有限元;MIDAS Gen;批量設(shè)計(jì)

1概述

隨著高速鐵路迅猛發(fā)展，鐵路站房結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜多變，其中不乏大跨度站房的出現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高[1，2]。型鋼混凝土梁是將型鋼埋入鋼筋混凝土梁中的一種組合梁，由型鋼、主筋、箍筋及混凝土組合而成。型鋼混凝土梁具有承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在大跨度結(jié)構(gòu)中[3，4]。

目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件(如PKPM)，對(duì)于型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)時(shí)，只能處理具有典型層的結(jié)構(gòu)形式。而其他通用有限元計(jì)算軟件如Midas Gen等，雖可以解決復(fù)雜造型結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析問(wèn)題，但在構(gòu)件設(shè)計(jì)方面功能不足，不支持型鋼混凝土梁的設(shè)計(jì)。

鑒于目前的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行的鋼骨混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范[5，6]，根據(jù)Midas Gen有限元計(jì)算軟件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，編制了型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)校核軟件(Src Beam Design Tools)。軟件可以對(duì)各類(lèi)工程中的型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計(jì)校核，具有界面友好、交互輸入、批量讀取、批量計(jì)算、批量輸出、操作簡(jiǎn)便等功能。

2軟件編制流程

型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)校核軟件包括兩個(gè)模塊：Midas模型及內(nèi)力讀取模塊及型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)模塊。型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)校核軟件開(kāi)發(fā)的總流程如圖 1所示，具體解釋如下。

圖1　程序總流程

(1)調(diào)用Midas模型及內(nèi)力讀取模塊，對(duì)相關(guān)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)、單元、截面、節(jié)點(diǎn)約束、指定構(gòu)件等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)該模塊讀取相關(guān)型鋼混凝土梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)內(nèi)力，輸出構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)表格，該模塊的詳細(xì)流程如圖2所示。

圖2　Midas模型及內(nèi)力讀取模塊

(2)通過(guò)型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)模塊 ，在上一模塊輸出的構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)表格中，對(duì)相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行批量設(shè)計(jì)，并輸出計(jì)算書(shū)，該模塊的詳細(xì)流程如圖3所示。

圖3　型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)模塊

(3)型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計(jì)完畢，程序結(jié)束。

3軟件編制關(guān)鍵技術(shù)

型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)校核軟件編制過(guò)程中，對(duì)Midas計(jì)算內(nèi)力調(diào)整、型鋼混凝土梁構(gòu)件批量設(shè)計(jì)是程序編制的關(guān)鍵及難點(diǎn)。

3.1型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整

在Midas Gen軟件中，大跨度復(fù)雜站房結(jié)構(gòu)模型計(jì)算完成后，通過(guò)菜單[結(jié)果]-[分析表格]-[梁?jiǎn)卧猐-[內(nèi)力]可以提取模型中梁?jiǎn)卧诟鞴r下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，典型的梁構(gòu)件內(nèi)力輸出如表1所示[7]。

表1　梁?jiǎn)卧糠止r下的內(nèi)力

對(duì)于型鋼混凝土梁，設(shè)計(jì)內(nèi)力采用的目標(biāo)組合為：彎矩最大|Mmax|及相應(yīng)的剪力V、剪力最大|Vmax|及相應(yīng)的彎矩M。

由于《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)[5]對(duì)應(yīng)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 11—89)與現(xiàn)行抗震規(guī)范要求不對(duì)應(yīng)，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)[8]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]要求，對(duì)型鋼混凝土梁構(gòu)件的抗震組合內(nèi)力，進(jìn)行考慮抗震要求的內(nèi)力調(diào)整。

程序編制時(shí)，對(duì)于滿(mǎn)足抗震需要的“強(qiáng)剪弱彎”要求，參考現(xiàn)行主流設(shè)計(jì)軟件PKPM[10]、Midas Building[11，12]的處理方法，直接對(duì)水平荷載計(jì)算得到的剪力乘以放大系數(shù)，再與豎向荷載計(jì)算所得的剪力進(jìn)行組合。對(duì)于不同抗震等級(jí)剪力放大系數(shù)的確定，按表2原則確定。

表2　鋼骨混凝土框架梁剪力調(diào)整

注：C1=max(1.1×1.1×超配系數(shù)，1.3)，超配系數(shù)是指在設(shè)計(jì)參數(shù)中輸入的實(shí)配鋼筋超配系數(shù)。

3.2公式改進(jìn)

《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)[5]規(guī)定，型鋼混凝土框架梁應(yīng)驗(yàn)算裂縫寬度及撓度，最大裂縫寬度及撓度值應(yīng)按荷載的短期效應(yīng)組合(相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)組合)并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)組合的影響進(jìn)行計(jì)算。

本文在程序編制過(guò)程中，結(jié)合《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ138—2012)(報(bào)批稿)[13]及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[14]，在進(jìn)行混凝土構(gòu)件裂縫、撓度計(jì)算時(shí)，按荷載準(zhǔn)永久組合(荷載長(zhǎng)期作用)并考慮長(zhǎng)期作用影響計(jì)算。

同時(shí)，對(duì)于裂縫及撓度的計(jì)算公式，參照在《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ138—2012)(報(bào)批稿)[13]及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[14]按下式進(jìn)行如下改進(jìn)。

3.3型鋼混凝土梁批量設(shè)計(jì)

在進(jìn)行型鋼混凝土梁批量設(shè)計(jì)之前，首先依據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)[5]有關(guān)型鋼混凝土梁計(jì)算原理及方法設(shè)計(jì)了單個(gè)型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計(jì)程序，并與相關(guān)計(jì)算例題進(jìn)行了對(duì)比分析及測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)軟件的正確性。

單個(gè)型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計(jì)程序界面如圖4所示。

圖4　型鋼混凝土梁計(jì)算程序

單個(gè)型鋼混凝土梁程序測(cè)試完畢后，將型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計(jì)模塊集成在總程序中，讀取型鋼混凝土梁柱設(shè)計(jì)參數(shù)，利用循環(huán)設(shè)計(jì)命令進(jìn)行批量設(shè)計(jì)。

4工程應(yīng)用

4.1模型介紹

某火車(chē)站結(jié)構(gòu)承軌層，柱距22 m，大跨度梁采用型鋼混凝土梁。梁、板混凝土等級(jí)C40，柱混凝土等級(jí)C50，型鋼采用Q345，鋼筋等級(jí)縱筋HRB400，箍筋等級(jí)HRB400，保護(hù)層厚度20 mm。結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為一級(jí)[15]。

型鋼混凝土梁截面采用1 800 mm×2 600 mm(內(nèi)置型鋼采用H1800×800×30×60)，與型鋼混凝土梁相連的柱采用鋼骨混凝土柱，截面采用25000 mm×2500 mm(內(nèi)置雙向型鋼H1800×900×40×60)。樓面荷載：恒載按25 kN/m2，活載按 30 kN/m2，板厚400 mm。

Midas Gen中的計(jì)算模型如圖5所示。

圖5　測(cè)試模型

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，考慮荷載組合如表3所示。

4.2型鋼混凝土梁測(cè)試

利用本文所編型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)軟件，依次選取相關(guān)選項(xiàng)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。限于篇幅，本文僅以眾多型鋼混凝土梁構(gòu)件中的某一根構(gòu)件為例，用以說(shuō)明所編型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)軟件的實(shí)例應(yīng)用。表4為Midas Gen模型輸出的準(zhǔn)永久內(nèi)力表格。

表3　荷載組合

表4　準(zhǔn)永久荷載內(nèi)力

對(duì)于型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮強(qiáng)剪弱彎內(nèi)力調(diào)整。本軟件在模型計(jì)算時(shí)自動(dòng)增加考慮剪力放大的內(nèi)力工況，將不普通抗震工況所得的彎矩內(nèi)力及考慮剪力放大的抗震工況所得的剪力匯總于表5。

表5　抗震組合剪力、彎矩

完成型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)參數(shù)輸出及批量構(gòu)件設(shè)計(jì)的計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表6～表7所示。從設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看，對(duì)于該大跨度梁，實(shí)際配筋由裂縫控制，對(duì)于控制配筋，程序以彩色填充表示。

表6　型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果(一)

表7　型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)果(二)

5結(jié)論

軟件編制過(guò)程中，通過(guò)軟件測(cè)試，發(fā)現(xiàn)和解決了軟件的不足之處，也使得軟件更加高效，本次軟件編制得出如下結(jié)論。

(1)本文介紹的軟件編制關(guān)鍵技術(shù)：Midas模型及內(nèi)力讀取模塊中對(duì)于Midas Gen文本命令流的識(shí)別與讀取、Midas計(jì)算內(nèi)力讀取與調(diào)整、型鋼混凝土梁構(gòu)件批量設(shè)計(jì)可以為后續(xù)的相關(guān)軟件編制提供借鑒。

(2)通過(guò)軟件測(cè)試以及工程應(yīng)用，驗(yàn)證了所編型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)軟件，可以正確讀取Midas Gen有限元計(jì)算軟件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)鋼混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行批量設(shè)計(jì)，明顯提高設(shè)計(jì)效率。

(3)由于程序編制所依據(jù)的《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(JGJ138—2001)為2001年頒布，與新版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB20010—2010)及新版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)部分內(nèi)容沖突，軟件編制過(guò)程中參照新《混規(guī)》、新《抗規(guī)》及主流設(shè)計(jì)軟件PKPM、Midas Building等處理方法，對(duì)涉及型鋼混凝土梁內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、部分公式(如鋼骨梁的裂縫、撓度計(jì)算等)進(jìn)行改進(jìn)，軟件測(cè)試表明，改進(jìn)公式與結(jié)構(gòu)主流設(shè)計(jì)軟件一致，滿(mǎn)足工程實(shí)際需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭健.中國(guó)當(dāng)代鐵路客站設(shè)計(jì)理論探索[M].北京:人民交通出版社，2009.

[2]鄭健. 2011中國(guó)鐵路客站技術(shù)交流會(huì)論文集[C].北京:中國(guó)鐵道出版社，2011.

[3]聶建國(guó).型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]劉大海.型鋼鋼管混凝土高樓計(jì)算和構(gòu)造[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ138—2001，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[6]中華人民共和國(guó)冶金部.YB9082—2006，鋼股混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：北京冶金工業(yè)出版社，2007.

[7]北京邁達(dá)斯軟件有限公司.Midas/Gen分析與設(shè)計(jì)原理[M].北京: 北京邁達(dá)斯軟件有限公司，2004.

[8]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[9]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[10]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.SATWE用戶(hù)手冊(cè)及技術(shù)條件[M].北京:中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部，2012.

[11]北京邁達(dá)斯軟件有限公司.Midas Building用戶(hù)手冊(cè)及技術(shù)條件[M].北京:北京邁達(dá)斯軟件有限公司，2011.

[12]北京邁達(dá)斯軟件有限公司.Midas Gen用戶(hù)手冊(cè)及技術(shù)條件[M].北京:北京邁達(dá)斯軟件有限公司，2010.

[13]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ138—2012組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(報(bào)批稿)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[14]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[15]黃剛.昆明南火車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(6)：136-139.

Research on Application of Steel Reinforced Concrete Beam Design Software in Railway Station Buildings

SHEN Lei

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Based on Technical Specification for Steel Reinforced Concrete Composite Structure (JGJ138-2001) and some new national standards， steel reinforced concrete beam design software is coded in C# language. The software is used for batch design of steel reinforced concrete beams based on the finite element modeling (FEM) calculation results from Midas Gen， and extensively and effectively employed in the design of large span station buildings.

Key words：Steel reinforced concrete beam; Large span; Railway station buildings; FEM; Midas Gen; Batch design

文章編號(hào)：1004-2954(2016)05-0121-04

收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-26

基金項(xiàng)目：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司課題(2012D28)

作者簡(jiǎn)介：沈磊(1985—)，男，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，注冊(cè)巖土工程師，2010年畢業(yè)于東南大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:316789796@qq.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TU248.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.026