成　聰， 韓根偉， 陳興偉， 翟景國(guó)

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，四川成都 610016)

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變電站中密肋鋼結(jié)構(gòu)與普通鋼結(jié)構(gòu)的比較分析

成聰， 韓根偉， 陳興偉， 翟景國(guó)

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，四川成都 610016)

【摘要】通過(guò)對(duì)變電站內(nèi)同一建筑物的普通鋼結(jié)構(gòu)、密肋鋼結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，在滿(mǎn)足正常使用狀態(tài)及極限承載能力的情況下，得出了密肋鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】普通鋼結(jié)構(gòu);密肋鋼結(jié)構(gòu);經(jīng)濟(jì)性

密肋鋼結(jié)構(gòu)作為一種新的結(jié)構(gòu)形式由密肋梁柱及維護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其構(gòu)件的生產(chǎn)加工均在工廠(chǎng)內(nèi)制作完成，完全符合“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)﹑工廠(chǎng)化生產(chǎn)﹑裝配化施工以及一體化裝修”的建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展思路，是我國(guó)告別現(xiàn)場(chǎng)手工砌筑時(shí)代，促進(jìn)建筑生產(chǎn)方式變革，推動(dòng)建筑轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，被譽(yù)為鋼結(jié)構(gòu)中的“砌體結(jié)構(gòu)”。 但對(duì)密肋鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模型不多。本文采用ANSYS有限元分析軟件，建立密肋鋼結(jié)構(gòu)和普通鋼結(jié)構(gòu)的三維分析模型，在滿(mǎn)足正常使用狀態(tài)及極限承載力的情況下，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力性能分析比較，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性作出評(píng)價(jià)。

1有限元模型建立

某兩層變電站平面尺寸為18 m×12 m，層高為3 m。由于使用需求，要求底層凈高不小于2.6 m。其荷載條件為：二層樓面：樓面恒載2.5 kN/m2(包括樓板60 mm自重、隔墻等)；樓面活載2 kN/m2。屋面：屋面恒載 3.2 kN/m2(包括樓板80 mm自重)；屋面活載(不上人屋面)0.5 kN/m2。該地區(qū)基本風(fēng)壓0.35 kN/m2。

現(xiàn)采用兩種方案：

方案一：鋼框架結(jié)構(gòu)形式(圖1(a))，采用柱網(wǎng)尺寸為6 m×6 m，柱子采用方鋼管160 mm×160 mm×6 mm×6 mm，梁截面采用工字型鋼，尺寸為300 mm×120 mm×10 mm×6 mm、250 mm×100 mm×8 mm×6 mm等。

方案二：密肋鋼結(jié)構(gòu)形式(圖1(b))，縱向柱子間距1 m，橫向柱子間距6 m。位于門(mén)洞處，四角的柱子采用方鋼管160 mm×160 mm×6 mm×6 mm，其余用薄壁C型鋼C160 mm×50 mm×20 mm×2.5 mm。梁截面門(mén)洞處用雙拼C300 mm×80 mm×20 mm×3 mm，主跨度方向用C300 mm×80 mm×20 mm×3 mm，其余用C160 mm×50 mm×20 mm×2.5 mm。

(a) 鋼框架結(jié)構(gòu)

(b) 密肋鋼結(jié)構(gòu)圖1　結(jié)構(gòu)布置方案

2有限元分析

通過(guò)ANSYS建立三維空間模型，梁、柱采用梁?jiǎn)卧猙eam188，樓板采用殼單元shell63，為保證分析模型質(zhì)量和動(dòng)力特征與實(shí)際工程相似，采用質(zhì)量單元mass21模擬附加荷載。假定樓蓋在平面內(nèi)剛度無(wú)限大，分別耦合各層樓面所有節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度,柱底采用剛接形式。鋼材采用Q345，混凝土采用C30，各種材料的材料特性如表1所示，有限元模型如圖2所示。

表1　材料特性

(a) 鋼框架結(jié)構(gòu)

(b) 密肋鋼結(jié)構(gòu)圖2　有限元模型

2.1結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)

(1)在恒載+活載作用下，結(jié)構(gòu)的變形如圖3所示。

(a) 鋼框架結(jié)構(gòu)

(b) 密肋鋼結(jié)構(gòu)圖3　D+L工況下的變形

兩種結(jié)構(gòu)方案的跨度均為6 m，正常使用過(guò)狀態(tài)下，最大允許撓度為L(zhǎng)/250=24 mm，兩者均滿(mǎn)足要求。

(2)X、Y向風(fēng)荷載作用下的層間位移見(jiàn)圖4、圖5。

(a) 鋼框架結(jié)構(gòu)

(b) 密肋鋼結(jié)構(gòu)圖4　在X向風(fēng)荷載作用整體結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

從圖6可以看出，在Y向風(fēng)荷載作用下，鋼框結(jié)構(gòu)一層層間位移為7.2 mm,小于規(guī)范規(guī)定的鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移限值H/400=7.5 mm。整體位移為12.80 mm,規(guī)范要求柱頂位移不大于h/500=12 mm,但輕鋼結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)放寬。密肋結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求。

2.2極限承載力狀態(tài)

根據(jù)擬定荷載條件，采用以下組合：

A. 1.2D+1.4L+0.98Wind

B. 1.35D+1.2L+0.98Wind

從圖7、圖8可以看出，密肋鋼結(jié)構(gòu)柱子軸力相對(duì)較小，有利于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。在A(yíng)工況下，應(yīng)力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3模態(tài)特性分析

在D+L工況下，鋼框架結(jié)構(gòu)、密肋鋼結(jié)構(gòu)的支座反力在重力方向的分量分別為-1 852.0 kN、-1 824.206 kN，兩者較為接近。此時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的模態(tài)如圖9、表2所示。

從圖9、表2可知，兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性較為接近，第一振型均為Y向平動(dòng)，第二振型為X向平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)。

3經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

從上述分析可知，鋼框架結(jié)構(gòu)方案、密肋鋼結(jié)構(gòu)方案均能滿(mǎn)足該變電站的使用要求，兩者動(dòng)力特性也較為接近。作

(a) 鋼框架結(jié)構(gòu)

(b) 密肋鋼結(jié)構(gòu)圖5　在Y向風(fēng)荷載作用整體結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

(a) 鋼框架結(jié)構(gòu)

(b) 密肋鋼結(jié)構(gòu)圖6　在Y向風(fēng)荷載作用一榀框架的側(cè)向變形

(a) 柱子軸力

(b) 一榀框架的應(yīng)力圖圖7　鋼框架結(jié)構(gòu)在A(yíng)工況下的受力情況

(a) 柱子軸力

(b) 一榀框架的應(yīng)力圖圖8　密肋鋼結(jié)構(gòu)在A(yíng)工況下的受力情況

第一階振型

第二階振型

第三階振型

第一階振型

第二階振型

第三階振型

階數(shù)鋼框架結(jié)構(gòu)(s-1)密肋鋼結(jié)構(gòu)(s-1)11.1201.18021.1381.28831.4591.38443.0923.36553.1103.78564.0584.205

表3　兩種方案承重構(gòu)件的用鋼量比較　kg

為結(jié)構(gòu)方案的必選，還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析比較。本文僅針對(duì)各結(jié)構(gòu)方案的主要受力構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

從表3可以看出，密肋鋼結(jié)構(gòu)每1 m2用鋼量約21.98 kg，鋼框架結(jié)構(gòu)每1 m2用鋼量約每1 m227.62 kg。

4結(jié)論

通過(guò)以上的有限元計(jì)算分析比較，可以明顯看出在同樣外部因素的影響下，密肋鋼結(jié)構(gòu)比普通鋼結(jié)構(gòu)具有更好的受力性能，并且用鋼量更少，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，值得在變電站內(nèi)推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]黃煒. 密肋復(fù)合墻體抗震性能及設(shè)計(jì)理論研究[D].西安建筑科技大學(xué),2004.

[2]賈英杰. 中高層密肋壁板結(jié)構(gòu)計(jì)算理論及設(shè)計(jì)方法研究[D].西安建筑科技大學(xué),2004.

[3]汪幼玲. 裝配式密肋空心樓蓋的研究與應(yīng)用[D].湖南大學(xué),2006.

[作者簡(jiǎn)介]成聰(1990～),男,從事變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU312+.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-11-26