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        鋼結(jié)構(gòu)建筑物穩(wěn)定性分析

        2021-11-09 16:45:54王成中鐵十七局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院
        門窗 2021年8期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)結(jié)構(gòu)分析

        王成 中鐵十七局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院

        1 前言

        一般而言,依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)建筑物的失穩(wěn)性質(zhì)對(duì)失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行劃分的話,主要可以分為枝點(diǎn)、極限點(diǎn)和跳躍失穩(wěn)3大類別,其中,枝點(diǎn)失穩(wěn)又可以被叫作平衡分岔失穩(wěn)。具體見(jiàn)圖1。

        圖1

        2 線性特征值屈曲分析

        特征值屈曲分析實(shí)際就是結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性分析,詳細(xì)論述為:原來(lái)平衡基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)受到載荷作用從而產(chǎn)生的第二種平衡狀態(tài)。通過(guò)軟件的特征值屈曲分析,計(jì)算得到屈曲模態(tài)及各個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的屈曲荷載系數(shù),荷載系數(shù)是非常重要的,因?yàn)榍奢d系數(shù)乘以外加荷載為屈曲荷載。

        特征值計(jì)算公式:

        K——結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;λ——屈曲因子;G(r)——某種荷載所引起的幾何剛度;φ——屈曲模態(tài)所組成的陣型矩陣。

        3 非線性屈曲分析

        非線性屈曲分析需要充分的對(duì)材料的非線性、結(jié)構(gòu)最初狀態(tài)下的幾何缺陷等進(jìn)行全面考慮,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行模擬分析結(jié)構(gòu)的幾何大變形非線性狀態(tài)。最為常用的是“一致缺陷模態(tài)法”來(lái)開(kāi)展結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析中初始幾何缺陷的引進(jìn)應(yīng)用,換而言知為:通過(guò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)最易發(fā)生的屈曲模態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)初始缺陷分布情況的模擬。

        4 工程概況

        山西某集團(tuán)擬新建一座大跨度封閉防塵罩。防塵罩屋面采用單層彩色壓型鋼板,防塵罩內(nèi)設(shè)置自然采光帶。防塵罩效果圖詳見(jiàn)圖2。

        圖2 防塵罩效果圖

        防塵罩橫向跨度約為80m,縱向長(zhǎng)度約為168m,防塵罩高度為27m,矢跨比f(wàn)/l=0.3375,兩端采用固定鉸支座,每隔兩端施加平面外約束模擬次桁架。12m是榀拱桁架的標(biāo)準(zhǔn)布置間距,圖3為立體結(jié)構(gòu)布置示意圖。

        圖3 結(jié)構(gòu)布置圖

        5 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

        結(jié)構(gòu)擬建在曲沃地區(qū),根據(jù)《抗規(guī)》2010版,該區(qū)域地震設(shè)計(jì)為第一組,基本地震加速度數(shù)值設(shè)計(jì)為0.20g,抗震設(shè)防烈度為8度。場(chǎng)地類別為三類,地震影響系數(shù)在多遇地震下最大值為αmax=0.16,Tg=0.45s為其的特征周期值,鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取ξ=0.02,設(shè)置50年為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。

        Q235B級(jí)鋼材是拱桁架模型所應(yīng)用的材料,采用3d3s進(jìn)行截面設(shè)計(jì),經(jīng)設(shè)計(jì)截面型號(hào)為:

        上弦桿:φ219×10;下弦桿:φ219×12,φ219×10;

        腹桿:φ180×6,φ140×8,φ140×6,φ114×8,φ114×4,φ89×4,φ83×6,φ76×4。

        計(jì)算模型如圖4所示。

        圖4 標(biāo)準(zhǔn)幾何模型

        6 拱桁架的穩(wěn)定分析

        穩(wěn)定分析中,模擬均布荷載,將荷載等效為節(jié)點(diǎn)荷載施加在結(jié)構(gòu)的上弦節(jié)點(diǎn)上,如圖5所示。

        圖5 恒載顯示

        圖6 活載顯示

        圖7 左半跨活荷載顯示

        圖8 右半跨活荷載顯示

        6.1 特征值屈曲分析

        針對(duì)球面網(wǎng)殼的全面分析中,可以依據(jù)JGJ 7—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.3條規(guī)定采用滿跨均布荷載開(kāi)展分析,在充分考慮橢圓拋物面和圓柱面網(wǎng)殼的滿跨均布荷載基礎(chǔ)上,還需要對(duì)分布的半跨活荷載情況進(jìn)行全面考慮,同時(shí),還需要對(duì)半跨活荷載影響進(jìn)行充分考慮后,進(jìn)行網(wǎng)殼全過(guò)程分析。通過(guò)采取結(jié)構(gòu)最低階屈曲模態(tài)進(jìn)行初始幾何缺陷分布情況的分析,可以依照網(wǎng)殼跨度的1/300進(jìn)行缺陷最大計(jì)算值的取值。

        ①將滿跨豎向荷載作用在上弦節(jié)點(diǎn),其前6階屈曲因子見(jiàn)表1。

        表1 滿跨豎向荷載作用下特征值屈曲因子

        ②將右半跨豎向荷載作用在上弦節(jié)點(diǎn),其前6階屈曲因子見(jiàn)表2。

        表2 半跨豎向荷載作用下特征值屈曲因子

        該模型加載滿跨豎向荷載作用時(shí)前四階失穩(wěn)模態(tài)為整體失穩(wěn),第五階屈曲荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一階屈曲荷載,數(shù)值大約是其的4.05倍,由此可以認(rèn)定,該結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性較大。

        前三階失穩(wěn)模態(tài)在加載半跨豎向荷載作用下呈現(xiàn)出整體失穩(wěn)狀態(tài);后三階均為局部失穩(wěn),與第一階屈曲荷載相比較的話,第四階屈曲荷載是其的3.45倍,由此可以認(rèn)定,在加載半跨豎向荷載時(shí),該結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性較小。

        6.2 幾何非線性穩(wěn)定性分析

        結(jié)構(gòu)相應(yīng)的臨界荷載在豎向全跨及半跨荷載作用下,初始階段節(jié)點(diǎn)荷載較小時(shí),位移與荷載呈線性關(guān)系,由此可以認(rèn)定,結(jié)構(gòu)此時(shí)剛度較大;荷載進(jìn)一步持續(xù)增加,位移迅速增大;最終,結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界荷載時(shí),結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

        7 結(jié)束語(yǔ)

        (1)大跨度拱桁架應(yīng)考慮幾何非線性對(duì)拱桁架的穩(wěn)定性影響,以保證結(jié)構(gòu)安全性。

        (2)鋼管拱桁架受到(滿跨和半跨)的不同荷載作用方式下,其的臨界荷載呈現(xiàn)出顯著差異性,其中,臨界荷載以半跨豎向荷載作用下最小。因此,需要全面考慮多種荷載的作用方式對(duì)大跨度鋼管拱桁架的穩(wěn)定性開(kāi)展分析。

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