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        大跨度拱桁架支座應(yīng)力分析

        2021-06-09 09:01:38夏堯高斌斌李元黃秀亮
        工程建設(shè)與設(shè)計 2021年9期
        關(guān)鍵詞:有限元混凝土工程

        夏堯,高斌斌,李元,黃秀亮

        (中機(jī)第一設(shè)計研究院有限公司,合肥 230601)

        1 引言

        伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和日益多元化的文化形態(tài)的出現(xiàn),以及國家全民健身計劃的落實(shí),近幾年我國大力推進(jìn)體育基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和完善,以此滿足各地區(qū)居民對體育健身、休閑娛樂等各方面日益增長的需求,從而為實(shí)現(xiàn)全民健康、健康中國提供最基本的支持。

        2 工程概況

        本工程為某縣級體育中心,建筑面積約3×104m2,固定座位數(shù)約1.5萬個,分為東、西2個結(jié)構(gòu)單元,西側(cè)為體育場主看臺,東側(cè)為相關(guān)服務(wù)配套用房;體育場主看臺下部為混凝土框架結(jié)構(gòu),頂部鋼罩棚為大跨度拱桁架。鋼罩棚立體桁架結(jié)構(gòu)的懸挑長度約為18 m,建筑最高點(diǎn)標(biāo)高約50 m。

        3 設(shè)計方案

        本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度[1],設(shè)計基本地震加速度0.10g,因該建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)類,故地震作用計算采用7度0.15g,設(shè)計地震分組為第二組,場地類別Ⅲ類,Tg=0.55 s,多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08?;撅L(fēng)壓(10 m高度,50年基準(zhǔn)期)0.45 kN/m2[2],地面粗糙度類別:B類。

        根據(jù)建筑方案和實(shí)際情況的需要,頂部鋼罩棚主要分成3部分:(1)起裝飾作用的裝飾拱;(2)為主要受力結(jié)構(gòu)的前拱桁架;(3)通過次桁架與前拱桁架連接的后拱桁架。結(jié)構(gòu)各部分傳力明確,組成一個完整的受力體系。后拱桁架通過V形拉桿與下部混凝土柱相連,此混凝土柱為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件,為本工程設(shè)計中的關(guān)鍵構(gòu)件,設(shè)計時采用型鋼混凝土柱,計算應(yīng)保證柱應(yīng)力和柱頂變形滿足規(guī)范要求,并留有一定的安全儲備。而另一抗側(cè)力構(gòu)件即為裝飾拱和前拱桁架的端部的混凝土拱腳支座,此拱腳支座需承受前拱桁架的傳遞水平推力和風(fēng)荷載在吸力工況下產(chǎn)生的上拔力。

        4 應(yīng)力分析

        本工程鋼罩棚荷載包括結(jié)構(gòu)自重、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用、溫度荷載、吊掛荷載等。采用Midas Gen軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計算,前拱桁架及后拱桁架的拱腳支座邊界條件采用鉸接計算,從整體模型中提取拱腳支座處反力,詳見表1。

        表1 拱腳支座反力表

        根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),對于此類大跨度鋼結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載均為主要控制荷載之一,本工程計算時考慮雙向地震作用,經(jīng)計算表明,地震作用在上部鋼罩棚計算中不屬于控制荷載。根據(jù)規(guī)范要求及工程的實(shí)際情況,本工程對上百種不同的工況組合進(jìn)行了計算分析,現(xiàn)選取幾組典型的工況組合進(jìn)行應(yīng)力分析,具體工況組合詳見表2。

        本工程拱腳支座的應(yīng)力分析采用Midas Fea有限元軟件,拱腳支座采用實(shí)體模擬,有限元模型如圖1所示。拱腳支座底部約束情況按固接計算,上部鋼罩棚荷載以點(diǎn)荷載形式作用于支座處,拱腳支座應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

        表2 設(shè)計工況組合

        圖1 體育場結(jié)構(gòu)模型

        表3 拱腳應(yīng)力計算結(jié)果MPa

        根據(jù)表3計算結(jié)果可知,在工況2的荷載組合下,拱腳支座處應(yīng)力計算結(jié)果最不利。通過應(yīng)力圖2所示可知,拱腳支座壓應(yīng)力值較大處出現(xiàn)在拱肋和拱腳結(jié)合處;按照本工程實(shí)際受力情況,拱腳支座受到的荷載并非對稱荷載,拱腳側(cè)面角點(diǎn)處主拉應(yīng)力最大,最大值為2.67 MPa,主拉應(yīng)力由角點(diǎn)向X、Y、Z3個方向逐漸減小,因此在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時,可根據(jù)此有限元分析結(jié)果,合理配置拱腳區(qū)域基礎(chǔ)配筋,以防止因拉應(yīng)力過大導(dǎo)致拱腳支座基礎(chǔ)混凝土開裂。

        圖2 拱腳支座有限元實(shí)體模型及工況2作用下拱腳支座應(yīng)力圖

        5 基礎(chǔ)設(shè)計

        拱腳支座基礎(chǔ)設(shè)計時需考慮前拱桁架傳遞的水平推力,常見的處理方法[3,4]有:設(shè)置預(yù)應(yīng)力索、打斜樁、設(shè)置巖石錨桿等。設(shè)置預(yù)應(yīng)力索的方法一般情況下適用于落地拱桁架;本工程在設(shè)計階段的場地勘探深度,未見巖石層,因此基于本工程的實(shí)際情況和當(dāng)?shù)厥┕l件,這幾種常見的處理方法在使用中都有一定的局限性。結(jié)合建筑方案與實(shí)際地質(zhì)條件綜合考慮,本工程拱腳支座采用混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)方案,如圖3所示。通過利用拱腳支座處的建筑造型,將上部造型與底部基礎(chǔ)設(shè)計為一個整體,增加此處支座基礎(chǔ)的自重,通過基礎(chǔ)的自重、基礎(chǔ)底部摩擦力及基礎(chǔ)周圍的土壓力來平衡前拱桁架傳遞的水平推力,以達(dá)到控制拱腳支座處位移的目的。本工程拱腳支座處水平推力標(biāo)準(zhǔn)值為6 200 kN,拱腳支座基礎(chǔ)出地面造型部分的高度超過10 m,下部基礎(chǔ)埋置深度為-3.5 m,經(jīng)計算,滿足設(shè)計要求。

        6 結(jié)語

        圖3 拱腳支座基礎(chǔ)示意圖

        體育場上部的大跨度拱桁架鋼罩棚受風(fēng)荷載作用明顯,受力形式復(fù)雜,本工程中受建筑造型限制,后拱桁架不落地,與型鋼混凝土柱鉸接連接,對整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能產(chǎn)生了一定的影響,故前拱桁架的拱腳支座為設(shè)計中的一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。本工程通過整體結(jié)構(gòu)計算及有限元計算對拱腳支座節(jié)點(diǎn)的受力進(jìn)行分析,有針對性地對拱腳支座基礎(chǔ)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計,保證節(jié)點(diǎn)的受力合理并提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

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