萬曉鐘,徐匯賓,王 巖,周宜哲
(1.北京建工四建工程建設有限公司,北京 100075;2.中糧(北京)農業(yè)生態(tài)谷發(fā)展有限公司,北京 100000)
我國市場經(jīng)濟繁榮發(fā)展,廣告行業(yè)隨之迅猛發(fā)展,鋼結構巨幅廣告牌日漸增多。該類結構主要承受風荷載作用,長寬方向尺寸巨大,受力面積廣,結構橫斷面方向尺寸小,基礎采取鋼混結構,搭設與安裝較為方便。然而,該類結構一旦被巨風吹倒,危害性極大,近年廣告牌傷人時間常有發(fā)生[1]。因此,鋼結構廣告牌在設計、施工、維護等方面必須引起足夠重視。
本文通過對陜西省西安市城區(qū)某桁架式鋼結構廣告牌設施進行調查分析,利用ANSYS有限元分析軟件有限元分析軟件,建立有限元模型,對該鋼結構廣告牌進行受風載荷作用下的受力仿真分析,從基礎設計、結構選型、結構設計及施工特點多方面詳細分析其受力特性,從而確定桁架式廣告牌鋼結構是否符合安全性要求,以期為同類鋼結構廣告牌設計、施工提供經(jīng)驗。
本工程廣告牌骨架為桁架結構,由方形鋼管焊接而成,中間跨截面為80×60×3(mm),邊跨截面為60×3,前后架體之間腹桿通過40×40×3(mm方鋼管連接;底部通過四榀桁架進行支撐,支撐立柱上下弦采用90×90×4(mm方鋼管,腹桿采用50×50×3(mm方鋼管。本結構角焊縫均為角焊縫滿焊,焊腳高度hf=4 mm,焊縫等級為三級,鋼管端部必須采用4 mm鋼板圍焊封堵。鋼構件材質選用Q235B;焊條選用E43型。具體如圖1(a)~(c)。
(a) 正視圖
(b)背視圖
(c) 俯視圖
模型主要參數(shù)包括單元屬性及材料參數(shù)。廣告牌桁架結構采用鋼材材料屬性如下:密度為7 800 kg/m3,彈性模量 2.06 × 105N/mm2,泊松比0.3,屈服強度 235 MPa;各方鋼管采用Beam188單元模擬;半剛性節(jié)點通過耦合重合節(jié)點 x、y、z 三 個方向自由度,彈簧單元Combin14模擬扭轉剛度來實現(xiàn)[2];鋼管截面及厚度按照實際工況建立。
1)荷載計算。廣告牌結構主要荷載包括自重及風荷載作用;考慮到廣告牌結構主要由方鋼管組成,方鋼管的截面尺寸建模必須嚴格按照設計建模,以此施加結構自重荷載,保證計算精確性。
根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[3]相關規(guī)定,施加在戶外廣告牌上高度z處的單位面積風荷載標準值Wk應按以下公式計算:
Wk=βgzμslμzw0
式中,Wk為風荷載標準值,kN/m3;w0為基本風壓,陜西省西安市10年一遇的風壓為0.25 kN/m2,其中50年一遇的基本風壓為0.35 kN/m2,計算取值0.35 kN/m2;βgz為高度z處的陣風系數(shù),根據(jù)規(guī)范本計算不考慮風振系數(shù);μsl為風荷載局部體型系數(shù),按照獨立墻體和圍墻進行計算取1.3;μz為風壓高度變化系數(shù),經(jīng)查表計算取值0.65進行計算。
經(jīng)過計算得,風荷載標準值為:
Wk=1.3×0.35×0.65=0.295kN/m2
對平面進行迎風面受力荷載計算,將所受風載等效為節(jié)點力,計算如下:
Fk=3.0(跨度)×9.5(高度)×0.295/7(受力點)=1.2kN
同理,兩側懸挑部位,節(jié)點荷載為:
Fk=2.0×9.5×0.295/7=0.8kN
為使計算結果保守,加載風荷載時,使風荷載垂直作用于受力面板。
2)邊界條件。鋼結構廣告牌底部四榀桁架立柱為約束點,考慮三向約束,對于轉動約束完全釋放。
計算模型嚴格按照實際尺寸進行建模,并施加計算得到的節(jié)點風荷載及自重,施加邊界條件,計算模型如圖2所示。
圖2 桁架式廣告牌ANSYS計算模型
通過ANSYS有限元軟件得到的有限元計算結果,變形結果如圖3所示,其應力結果如圖4~6所示。
由圖3可知,廣告牌頂部結構最大位移為66 mm,結構搭設總高度為13 m,可知廣告牌位移角為1/200,總體變形較小,可滿足廣告牌安全及使用要求。
同時,考慮到廣告牌最大變形部位在頂端,可采取適當加固措施,減小廣告牌頂端變形,進一步加大結構安全系數(shù)。
由圖4~6通過分析結果可知,在考慮最不利荷載的情況下,結構最大內力大小為135 MPa。考慮到廣告牌架體整體采用Q235型號鋼管,其抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為均為205 MPa,計算結果小于材料Q235鋼管,因此該設計方案可滿足強度要求,結構安全。
圖3 水平方向位移
圖4 第一主應力計算結果
圖5 第三主應力計算結果
圖6 Misess屈服應力計算結果
通過ANSYS提取計算結果可知,廣告牌水平方向總剪力為59 500 N,最大彎矩為1.33×107N·M。
則通過ANSYS計算得到最不利工況下的水平剪力為:
由于廣告牌受5根豎向桁架受力,則可知每個柱腳受到的剪力和彎矩為:
于是可知抗傾覆系數(shù)為:
故抗傾覆計算滿足要求。
基礎底部最不利處位置的應力為[4]:
由豎向力產(chǎn)生的應力:
由土體產(chǎn)生的應力:
則總應力大小為:
本桁架式廣告牌基礎采用混凝土基礎,混凝土設計強度為C25,其故基礎強度滿足要求。
本文利用ANSYS有限元分析軟件對大型桁架式鋼結構受力狀況進行分析,對該結構可以得出以下幾點結論。
1)可采用原定設計方案進行該桁架式廣告牌施工,該種工況下鋼結構最大位移和應力值均小于允許值;結構抗傾覆能力及基礎設計均可達到規(guī)范要求;本桁架式廣告牌整體安全性滿足規(guī)范要求。
2)經(jīng)結構計算,廣告牌最大變形部位位于廣告牌頂端,可采取適當加固措施,減小廣告牌頂端變形,進一步加大結構安全系數(shù)。
3)可利用ANSYS有限元分析軟件進行大型桁架式廣告牌的安全性分析,通過數(shù)值模擬計算得到的結果和結論可為結構的安全評估提供有益參考。
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