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        某鋼結(jié)構(gòu)仿古塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題分析

        2020-09-29 01:53:52鄭寶磊宿坤馬寧
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年16期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)有限元效應(yīng)

        鄭寶磊,宿坤,馬寧

        (1.山東建大建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,濟(jì)南250013;2.山東博雅建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,濟(jì)南250013)

        1 引言

        磚木為中國古代建造塔式建筑最重要的材料[1],由于近代材料的發(fā)展,混凝土、鋼結(jié)構(gòu)代替木結(jié)構(gòu)[2]已較為普遍。設(shè)計(jì)仿古塔時(shí),考慮歷史環(huán)境、風(fēng)格的同時(shí)也要在設(shè)計(jì)中結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn),利用有限元軟件對(duì)工程實(shí)例的設(shè)計(jì)與施工中諸如鞭梢效應(yīng)、層層梁上起柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、大飛檐等難點(diǎn)進(jìn)行理論分析,深入研究這些問題對(duì)仿古建筑的保護(hù)、修復(fù)均有積極的價(jià)值。

        2 工程簡介

        鋼結(jié)構(gòu)仿古塔建筑的面積為5 800m2,地下3 層,地上14 層,七明七暗的建造布局,建筑總高度(塔剎頂)93.00m(見圖1 和圖2)。耐久年限:二級(jí);耐火等級(jí):一級(jí);設(shè)計(jì)使用年限:50a;抗震設(shè)防烈度:7 度(0.15g);地震分組:二組,場地類別:Ⅱ類;體系:鋼框架—支撐結(jié)構(gòu);基礎(chǔ):筏板基礎(chǔ),混凝土強(qiáng)度等級(jí):C35;豎向構(gòu)件:鋼管混凝土,鋼材:Q345B;樓板:壓型鋼板組合樓板;阻尼比:0.02;周期折減:0.90。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,選取基本風(fēng)壓:0.40kN/m2,50a 一遇的基本雪壓為0.30 kN/m2。

        圖1 效果圖

        圖2 塔剎端部構(gòu)造

        3 關(guān)鍵問題分析

        3.1 整體分析

        采用Midas Gen 分析軟件整體建模,在“恒荷載+活荷載+X、Y向風(fēng)荷載+X、Y向地震”多種工況作用下,基本周期與估算周期相差不大,振型規(guī)律、側(cè)向剛度、變形對(duì)稱分布與工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)估也基本一致,前三階振型分類明顯,后三階振型的平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)交織摻雜,各振型扭轉(zhuǎn)耦聯(lián),頂部的端點(diǎn)產(chǎn)生二次振動(dòng)擺幅呈現(xiàn)出的鞭梢效應(yīng)尤為明顯,位移比和位移角均較大,需要采取加強(qiáng)頂部剛度及加大支撐截面、頂部彈性支撐的方式予以加強(qiáng)。采用加強(qiáng)措施后重新計(jì)算的整體指標(biāo)均較好地滿足了GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016 年版)和JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

        3.2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析

        為研究偏心梁柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)及應(yīng)力儲(chǔ)備,采用ANSYS 有限元分析軟件足尺寸建立模型,選取受力較大的位置(見圖3 陰影處)。節(jié)點(diǎn)之間采用栓焊連接,按照近似剛性考慮,材料、彈性模量等均按照Q345B 選取,根據(jù)考慮圣維南原理,截面選?。汗?jié)點(diǎn)板厚:20mm,加勁板厚:14mm,上柱、下柱:φ600mm×30mm,梁:HM500mm ×300mm,45°方向偏心450mm。模型上下豎向長度取1 000mm,水平向取500mm(見圖4)。

        圖3 選取節(jié)點(diǎn)的平面位置

        圖4 節(jié)點(diǎn)詳圖

        按照Shell181 單元自由式網(wǎng)格劃分法劃分單元和節(jié)點(diǎn)模型如圖5 和圖6 所示。

        圖5 節(jié)點(diǎn)模型有限元?jiǎng)澐郑ㄒ唬?/p>

        圖6 節(jié)點(diǎn)模型有限元?jiǎng)澐郑ǘ?/p>

        根據(jù)Midas Gen 的計(jì)算結(jié)果取得的不利工況受力,將力施加到主要構(gòu)件處,在構(gòu)件連接和管壁位置處進(jìn)行力的約束。分析結(jié)果如圖7~圖14 所示。

        節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在所取模型柱端部呈現(xiàn)比較明顯,梁端變形局部比較明顯,其余位置最大應(yīng)力265MPa,應(yīng)變1.12mm,應(yīng)力和應(yīng)變均比較小,即使當(dāng)端部軸力加大到4 000kN 時(shí),應(yīng)力最大也僅為360MPa,應(yīng)變9mm,充分說明在有限加大外力的作用下節(jié)點(diǎn)能保證彈性工作狀態(tài),節(jié)點(diǎn)也較為安全可靠。

        圖7 節(jié)點(diǎn)等效變形圖(一)

        圖8 節(jié)點(diǎn)等效變形圖(二)

        圖9 節(jié)點(diǎn)等效變形圖(三)

        圖10 節(jié)點(diǎn)等效變形圖(四)

        圖11 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖(一)

        圖12 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖(二)

        圖13 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖(三)

        圖14 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖(四)

        4 結(jié)語

        通過有限元軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析認(rèn)為,縱向荷載作用下整體變形較小,由于豎向扭曲導(dǎo)致飛檐位置出現(xiàn)一定較大的位移;在多種工況作用下,整體指標(biāo)雖滿足,但在頂部呈現(xiàn)鞭梢效應(yīng)尤為明顯,除前3 振型較為規(guī)則外,其余振型均不真切,呈現(xiàn)交織摻雜的特性;通過對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的分析,梁柱節(jié)點(diǎn)承載力儲(chǔ)備充足,即使有限加大多工況產(chǎn)生的不利外力,該節(jié)點(diǎn)仍保持較好的應(yīng)力應(yīng)變模態(tài),保證了整體結(jié)構(gòu)的安全度。

        本工程建成即遭遇汶川地震,地震時(shí)整體震動(dòng)和變形均非常大,頂部震動(dòng)位移甚至達(dá)150mm,但是地震后經(jīng)檢驗(yàn)無構(gòu)件損傷和破壞,垂直度幾乎沒有變,經(jīng)受住了超大地震的考驗(yàn),這一實(shí)際驗(yàn)證與分析的結(jié)果基本一致。

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