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        某劇場鋼管桁架屋蓋的結(jié)構(gòu)性能分析

        2021-06-18 13:21:48李紅超
        工程質(zhì)量 2021年5期
        關(guān)鍵詞:屋蓋桿件振型

        劉 巖,李紅超,劉 佳

        (1.中國建筑技術(shù)集團有限公司,北京 100013;2.中國建筑科學研究院有限公司,北京 100013)

        0 引言

        我國有大面積的領(lǐng)土鄰近海域,每年都會遭受臺風的襲擾,造成巨大的財產(chǎn)損失甚至人員傷亡。大跨鋼屋蓋結(jié)構(gòu)對風荷載較敏感,臺風過后發(fā)生損壞時有發(fā)生。本文以一劇場鋼屋蓋為例,分析其在不同荷載工況下的結(jié)構(gòu)靜力、動力性能,得出起控制作用的荷載,為后續(xù)類似工程提供參考。

        1 工程概況

        該劇場位于東南沿海城市,其屋蓋結(jié)構(gòu)形式為鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)整體平面投影呈扇形(東西對稱,12 軸為對稱軸),主要由 23 榀徑向桁架和 4 榀環(huán)向桁架組成,單榀桁架由 1 根上弦桿、1 根下弦桿以及相應(yīng)腹桿組成,桿件采用熱軋無縫鋼管,截面尺寸有φ146×4.5~φ426×16 共 10 種規(guī)格,桁架節(jié)點采用焊接相貫節(jié)點,桁架高度 3.5~4.0 m,桁架最大跨度約為 46 m,徑向主桁架頂由南向北存在 1.428 m 的高差。屋蓋板采用輕型鍍鋁鋅壓型鋼板。屋蓋支撐于下部鋼筋混凝土柱(見圖 1 圓形柱)上,支座采用固定球形鉸支座,支座頂標高約為 17.0 m。該建筑地處臺風多發(fā)地區(qū),經(jīng)常遭受臺風襲擾,結(jié)構(gòu)安全等級二級,設(shè)計使用年限為 50 年,抗震設(shè)防烈度 6 度(0.05g),丙類設(shè)防[1],設(shè)計地震分組為第一組,場地類別為 Ⅱ 類。結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖 1 所示。本文主要對該鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進行靜動力性能分析,分析各荷載因素對鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的影響程度。本文不考慮下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

        圖1 鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置圖

        2 結(jié)構(gòu)計算模型

        在 SAP2000 有限元建模過程中,考慮桁架上、下弦桿均為連續(xù)貫通桿件,與腹桿的連接接近剛接,故采用框架單元模擬。支座為固定球形鉸支座,限制 UX、UY、UZ方向的自由度,釋放 RX、RY、RZ方向的自由度。屋蓋整體結(jié)構(gòu)的有限元計算模型如圖 2 所示。

        圖2 鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)計算模型

        3 結(jié)構(gòu)靜力分析

        3.1 荷載取值

        1)恒荷載及活荷載:①屋面材料自重(含檁條及保溫防水材料)計 0.5 kN/m2,結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算;②燈光照明、管線計 1.0 kN/m2;③馬道恒載 1.5 kN/m2;④非表演區(qū)域屋面活載 0.5 kN/m2;⑤表演區(qū)域(圖 1 陰影區(qū)域)屋面活載 3.0 kN/m2;⑥馬道活載(含燈具音響設(shè)備等)3.0 kN/m2。

        2)風荷載?;撅L壓 0.85 kN/m2,地面粗糙度類別A 類,風荷載體形系數(shù)μs=1.3[2],鋼屋蓋檐口距地面的高度為 17.0 m。采取“風力作用面來自剛性隔板范圍”方法施加,同時對隔板的節(jié)點定義“節(jié)點束縛”。

        3)溫度荷載?!?5 ℃ 的溫差作用。

        3.2 材料取值

        桁架桿件均采用 Q345B 鋼材;水平支撐鋼材強度等級為 400 MPa。

        3.3 荷載工況組合

        1)承載力計算。選取 6 個荷載工況組合對結(jié)構(gòu)進行靜力計算分析,荷載工況組合情況如表 1 所示。

        表1 承載力計算的荷載工況組合

        2)位移計算。工況 7:恒荷載+活荷載+風荷載。

        3.4 結(jié)果分析

        各荷載工況組合下支座反力及桿件最大內(nèi)力如表 2 所示。結(jié)構(gòu)的整體位移變形如圖 3 所示。

        圖3 屋蓋整體結(jié)構(gòu)的位移變形圖

        表2 不同荷載工況下的支座反力及桿件應(yīng)力情況

        由表 2 可知,工況 3 為最不利荷載工況。在 6 種荷載組合工況下,桁架桿件的應(yīng)力范圍為:-259~ 238 MPa,均小于 Q345 B 的材料強度設(shè)計值 305 MPa(壁厚≤16mm)。整體結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在 12 軸HJ 7 的中部,為 40.9 mm=L/820,其中L為桁架跨度,滿足 GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[3]附錄 B 表 B.1.1第 4 項規(guī)定的永久和可變荷載標準值產(chǎn)生的撓度容許值 L/400 的要求。

        在工況 6 與工況 1 下對該鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進行對比分析,說明溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響大小,典型桁架桿件應(yīng)力分析結(jié)果如表 3 所示。在工況 6 和工況 1 下,典型桁架應(yīng)力對比如圖 4 所示。工況 5 為升溫 25 ℃,工況 6 為降溫 25 ℃,所以兩個工況類同,不再贅述。

        表3 溫度荷載對典型桁架桿件應(yīng)力的影響分析

        經(jīng)對比,由表 3 及圖 4 可以看出,溫度荷載僅對桁架上弦桿應(yīng)力影響較大,對下弦桿、腹桿應(yīng)力的影響較小,可忽略。

        圖4 17 軸-HJ 3 溫度荷載影響應(yīng)力對比圖

        由以上分析可知,該鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的承載力及變形均能滿足要求,且具有一定的安全儲備,其結(jié)構(gòu)布置及截面尺寸的選取合理;溫度荷載僅對桁架上弦桿應(yīng)力影響較大,對下弦桿、腹桿應(yīng)力的影響較小,可忽略。

        4 結(jié)構(gòu)動力分析

        4.1 自振特性分析

        采用模態(tài)分析方法,分析屋蓋整體結(jié)構(gòu)的自振特性,前 40 階自振頻率如圖 5 所示。

        圖5 前 40 階自振頻率

        由圖 5 可見,該鋼結(jié)構(gòu)的基頻很高,說明其剛度很大。前 3 階頻率間相差很大,增加也很快,前 30 階自振頻率分布較密集,并且有數(shù)組頻率大小相近,這是因為結(jié)構(gòu)東西向呈對稱布置。從頻譜變化規(guī)律可以看出該結(jié)構(gòu)動力特性較復雜,需考慮高階振型特性。

        前 10 階振型主要包括豎向振動、水平振動、扭轉(zhuǎn)振動以及局部振動。第 1 階振型以豎向振動為主,第 2 階振型以水平振動為主,第 3 階振型以豎向振動為主,同時具有一定的扭轉(zhuǎn),第 4 ~第 10 階振型主要以豎向、水平以及局部振動三種形式互相結(jié)合的振動為主,并伴隨著一定的扭轉(zhuǎn)。

        由上述分析結(jié)果可知,該鋼結(jié)構(gòu)剛度很大,自振特性較復雜,分析時需考慮高階振型的影響[4]。

        4.2 振型分解反應(yīng)譜分析

        該劇場所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 6 度(0.05g),設(shè)計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,特征周期Tg=0.35s,地震影響系數(shù)最大值αmax=0.04,阻尼比ξ=0.02。由于該屋蓋結(jié)構(gòu)的自振周期T=0.31s<Tg=0.35s,因此地震影響系數(shù)曲線α尚未出現(xiàn)下降段[5]。

        對屋蓋整體結(jié)構(gòu)進行振型分解反應(yīng)譜分析,采用考慮各振型阻尼引起的鄰近振型間的靜態(tài)耦合效應(yīng)的 CQC 振型組合法對振型作用效應(yīng)進行地震反應(yīng)組合。在恒荷載、活荷載、風荷載及溫度荷載 4 項靜力荷載組合的前提下,對結(jié)構(gòu)是否有地震作用參與組合的工況進行對比分析。以典型桁架桿件(應(yīng)力比相對較大的桿件)為例進行說明,對比分析結(jié)果如表 4 所示,典型桁架應(yīng)力對比如圖 6 所示。

        圖6 11 軸-HJ 1 地震作用影響應(yīng)力對比圖

        表4 地震作用對典型桁架桿件應(yīng)力的影響分析

        經(jīng)對比分析,水平地震作用對鋼屋蓋結(jié)構(gòu)桁架桿件的內(nèi)力、變形以及支座反力影響很小,故水平荷載中,地震不起控制作用。

        5 結(jié)論

        1)在不同荷載工況組合下,該鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的承載力及變形均能滿足要求,且具有一定的安全儲備,其結(jié)構(gòu)布置及截面尺寸的選取合理。

        2)溫度荷載僅對桁架上弦桿應(yīng)力影響較大,對下弦桿、腹桿應(yīng)力的影響較小,可忽略。

        3)該鋼屋蓋結(jié)構(gòu)剛度很大,自振特性較復雜,分析時需考慮高階振型的影響。

        4)水平荷載中,風荷載起控制作用,地震不起控制作用。Q

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