楊 旭 李 陽

（1.容海川城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司寧夏分公司，寧夏 銀川 750002；2.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750411）

0 引言

隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用，許多結(jié)構(gòu)工程正向著多樣化、復(fù)雜化、大型化方面發(fā)展，如大型商住綜合體、大跨度屋面場館、鋼混組合超高層等[1，2]。當(dāng)前，采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面形式，下部采用鋼筋混凝土為主體的結(jié)構(gòu)工程已廣泛應(yīng)用[3]，為確保整體結(jié)構(gòu)的安全，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，針對實(shí)際工程項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整體建模，充分利用各種計(jì)算工具進(jìn)行分析計(jì)算，達(dá)到與實(shí)際工程等效的數(shù)值模擬，分析出不同材料對結(jié)構(gòu)的影響程度，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師進(jìn)行更為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。

本文以某實(shí)際醫(yī)院工程為研究對象，利用3D3S、YJK 等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以屋面大跨度網(wǎng)架在參與和不參與情形下的兩種工況，分析不同工況，對整體結(jié)構(gòu)的支座內(nèi)力、阻力效果等影響程度，了解屋面大跨度鋼結(jié)構(gòu)在主體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的作用，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案得到優(yōu)化[4]。

1 實(shí)際工程案例

依托工程位于銀川市靈武市寧東鎮(zhèn)，是一個(gè)整體新建的平地建筑群體，其中拱形穹頂建筑為占地面積約2297m2的門診醫(yī)技樓（大廳段），大廳左側(cè)連接門診樓，右側(cè)連接醫(yī)技樓，內(nèi)部空曠無柱，屋面結(jié)構(gòu)為跨度20.0～48.0m 的弧形網(wǎng)架，建筑高度為18.80m。

項(xiàng)目場地為Ⅱ類，抗震等級設(shè)為一級，抗震設(shè)防烈度為7 度，采用第3 組設(shè)計(jì)地震，根據(jù)地域特點(diǎn)選擇的基本加速度為0.15，基本風(fēng)壓0.65kN/m2，混凝土強(qiáng)度等級均為C30，采用3 類框架柱截面，分別為600mm×600mm、800mm×600mm、900mm×650mm；屋面網(wǎng)架采用Q345B 鋼管，其彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.28，密度為7.85×103kg/m3。

采用3D3S 及YJK 軟件進(jìn)行建模，混凝土梁和柱均采用桿單元，各個(gè)樓板采用板單元。整個(gè)計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型

2 大跨度網(wǎng)架屋面對主體結(jié)構(gòu)阻尼比、周期的影響

該工程存在兩種主要結(jié)構(gòu)（上部鋼結(jié)構(gòu)、下部混凝土結(jié)構(gòu)），目前對此類工程設(shè)計(jì)時(shí)阻尼取值研究甚少[5]。通常情況下，采用比例阻尼的方法進(jìn)行確定。

將式（1）進(jìn)行正交交換，則有：

第i 階阻尼和阻尼比列式如下：

采用YJK 軟件計(jì)算時(shí)，下部混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼取0.05，上部鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架阻尼取0.04，在主體結(jié)構(gòu)阻尼比計(jì)算時(shí)采用應(yīng)變能因子法計(jì)算。阻尼比、周期及質(zhì)量參與系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 周期、質(zhì)量參與系數(shù)及阻尼比計(jì)算結(jié)果

為充分研究屋面鋼結(jié)構(gòu)影響主體結(jié)構(gòu)周期的大小，本文在有限元模型設(shè)計(jì)中設(shè)置了去掉網(wǎng)架部分的荷載分析工況，在相應(yīng)的位置輔以與有網(wǎng)架等量的荷載代替。對其結(jié)構(gòu)周期進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)周期計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，陣型3 下的無網(wǎng)架與有網(wǎng)架參與，對結(jié)構(gòu)的陣型影響最大，兩者結(jié)構(gòu)周期差值達(dá)到0.1188s。同時(shí)計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)向的影響最大，故而在設(shè)計(jì)中需增加向的約束，強(qiáng)化對向的連接，從而使得主體結(jié)構(gòu)的各個(gè)方向的變形較為一致。

3 屋面大跨度網(wǎng)架對主體結(jié)構(gòu)層間地震力的影響

大跨度屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)的阻尼比產(chǎn)生影響，尤其是其不參與計(jì)算而以等效荷載作用時(shí)，影響主體結(jié)構(gòu)阻尼比的程度更大。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)周期在0.1 與范圍內(nèi)時(shí)，不同材料組成的主體結(jié)構(gòu)層間地震力將主要受到阻尼比的影響。當(dāng)阻尼比越小，地震影響系數(shù)越大，地震力也將越大。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)周期在和5范圍時(shí)，地震影響系數(shù)受阻尼比和周期共同影響。屋面網(wǎng)架不參與主體結(jié)構(gòu)分析時(shí)，地震力的影響將會加大，實(shí)際的結(jié)構(gòu)安全難以保證。

為分析屋面大跨度網(wǎng)架對主體結(jié)構(gòu)地震剪力的影響程度，建立分析工況，在計(jì)算時(shí)不考慮屋面參與主體作用，同時(shí)假定整個(gè)主體結(jié)構(gòu)的周期范圍為[0.1s，，不同樓層的地震剪力運(yùn)算結(jié)果見表3。

由表3 可知，有無網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參與計(jì)算對主體結(jié)構(gòu)的地震力有影響。隨著樓層的增大，不同方向下的地震力逐漸變小，同時(shí)有網(wǎng)架參與結(jié)構(gòu)計(jì)算的同一方向的地震力差值逐漸增大。為此，在考慮屋面大型鋼結(jié)構(gòu)廠房的地震穩(wěn)定性時(shí)，需充分考慮鋼結(jié)構(gòu)本身，否則計(jì)算得到的地震剪力偏小。同時(shí)也要考慮X 和Y 方向的地震力影響。

表3 樓層地震剪力計(jì)算結(jié)果

4 屋面大跨度網(wǎng)架對主要連接桿件的影響

為分析屋面大跨度網(wǎng)架對下部結(jié)構(gòu)桿件連接的影響程度，在有限元分析中設(shè)置了2 種分析工況，即考慮混凝土柱段有網(wǎng)架和無網(wǎng)架兩種情況。

本文在計(jì)算模型中，選取62.5m 方向上3-1 軸/3-H軸設(shè)置網(wǎng)架支座柱子進(jìn)行分析。根據(jù)樓層結(jié)構(gòu)將11.67m 劃分為3 段，即第一段為第二層樓面2.67m，第二段為第三層樓面7.17m，第三段為11.67m。提取有限元分析結(jié)果中的水平地震作用結(jié)果如表4 所示。

表4 水平地震作用結(jié)果

由表4 可知，混凝土柱段有網(wǎng)架下的彎矩相比無網(wǎng)架下的彎矩大，并且彎矩值自上而下逐漸增大。為此，在有網(wǎng)架情況下，需加強(qiáng)對混凝土柱段支點(diǎn)的約束。

5 結(jié)束語

（1）鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中，應(yīng)深入考慮兩種材料的阻尼比，在材料性質(zhì)上分析不同材料對主體結(jié)構(gòu)的影響。

（2）鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮地震作用的不利影響，依據(jù)地震反應(yīng)譜的各個(gè)階段及結(jié)構(gòu)周期來選擇合適措施。

（3）鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮不同材料之間的連接，充分考慮下部結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度等級，提高連接節(jié)點(diǎn)處的安全性。

（4）對于大型網(wǎng)架屋面，需結(jié)合有限元分析和相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)來確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。