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        某鋼框架斜柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

        2022-07-31 10:18:10王娛
        科學(xué)與信息化 2022年14期
        關(guān)鍵詞:斜柱鋼梁樓板

        王娛

        中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070

        1 結(jié)構(gòu)概況

        某高層建筑主體采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系,建筑高度為55.5m,地下兩層,地上十三層。為滿足建筑外立面設(shè)計(jì)需要,地上結(jié)構(gòu)底部2層設(shè)置斜柱轉(zhuǎn)換層,斜柱由地下室頂板支承到地上2層頂板。斜柱KZ1、KZ2與豎向平面夾角為35.9°,采用箱型截面600x600x40x40,材性為Q355B。

        圖1 斜柱結(jié)構(gòu)局部模型示意圖

        2 斜柱相連梁柱受力分析

        為研究斜柱結(jié)構(gòu)受力性能特點(diǎn),現(xiàn)對(duì)斜柱KZ1、KZ2及其相連構(gòu)件進(jìn)行受力分析,分析構(gòu)件如圖2、圖3所示。斜柱對(duì)結(jié)構(gòu)的主要影響是由柱子傾斜而引起的水平分力,該水平分力由梁、板共同承擔(dān)。

        圖2 斜柱KZ1內(nèi)力分析圖

        圖3 斜柱KZ2內(nèi)力分析圖

        表1 KZ1節(jié)點(diǎn)受力情況(kN)

        表2 KZ2節(jié)點(diǎn)受力情況(kN)

        由上述計(jì)算結(jié)果可以看出,斜柱的存在使得鋼柱軸力產(chǎn)生水平分量,與斜柱相連的上層鋼梁承擔(dān)該水平力并受拉,各荷載組合下鋼梁包絡(luò)拉力為1318kN,彎矩463kN·m,鋼梁截面為H600x300x12x18,材質(zhì)為Q355B,按拉彎構(gòu)件復(fù)核鋼梁的承載力得到的鋼梁應(yīng)力比0.48[1]。斜柱下層地下室頂板混凝土梁受拉處各荷載組合下包絡(luò)拉力為838kN,梁彎矩523kN·m;構(gòu)件受壓處各荷載組合下包絡(luò)壓力為1330kN,梁彎矩2132kN·m,梁截面為400x900,材質(zhì)為C35,按拉彎、壓彎構(gòu)件復(fù)核梁的承載力滿足安全要求[2]。

        3 斜柱節(jié)點(diǎn)有限元分析

        斜柱節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域的受力性能研究采用有限元分析方法,節(jié)點(diǎn)模型中梁、柱構(gòu)件均采用實(shí)體單元模擬,大震作用組合下斜柱節(jié)點(diǎn)變形及應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果如圖4~7所示:

        圖4 X向地震組合節(jié)點(diǎn)變形

        圖5 Y向地震組合節(jié)點(diǎn)變形

        圖6 X向地震組合節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

        圖7 Y向地震組合節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

        由上述計(jì)算結(jié)果可知,節(jié)點(diǎn)在大震作用下的應(yīng)力基本小于Q355鋼材的屈服強(qiáng)度,考慮節(jié)點(diǎn)支座部位出現(xiàn)的應(yīng)力集中與實(shí)際受力存在一定差異,忽略這一差異的影響,說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)在大震作用下鋼材未達(dá)到屈服強(qiáng)度,滿足大震作用下關(guān)鍵構(gòu)件抗彎抗剪不屈服的性能目標(biāo)。與斜柱相連的Y向的框架梁根部存在mises應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度的情況,但依然能夠滿足性能水準(zhǔn)3規(guī)定的“不超過(guò)材料最小極限強(qiáng)度”的要求。

        4 斜柱相連樓板應(yīng)力分析

        由于斜柱的存在,斜柱層及相鄰上下層樓板將承擔(dān)斜柱產(chǎn)生的一部分水平力,樓板受力較為復(fù)雜。地下室頂板厚度為250mm,1-2層樓板厚度為120mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C35(fc=16.7Mpa,ft=1.57MPa),鋼筋采用HRB400。樓板單元采用膜單元計(jì)算分析斜柱相關(guān)層樓板平面正應(yīng)力分布如下:

        圖8 第1層樓板平面正應(yīng)力Sx

        圖9 第1層樓板平面正應(yīng)力Sy

        圖10 第2層樓板平面正應(yīng)力Sx

        圖11 第2層樓板平面正應(yīng)力Sy

        由圖可知,斜柱相鄰下層樓板(1 層)存在較大的X向拉、壓應(yīng)力,應(yīng)力峰值出現(xiàn)在各柱邊,KZ1 附近最大拉壓應(yīng)力分別為1.4Pa、-1.1MPa,KZ2 附近最大拉壓應(yīng)力分別為1.3MPa、-1.4MPa,應(yīng)力值向著斜柱外側(cè)逐漸減小,在進(jìn)行樓板配筋計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮;斜柱相鄰上層樓板(2 層)存在較大的X向拉應(yīng)力,拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在各柱邊,分別為6.2MPa(KZ1 附近)、6.4MPa(KZ2附近),應(yīng)力值向著斜柱外側(cè)逐漸減?。蛔畲罄瓚?yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.57MPa,該層樓板應(yīng)采用1370mm2/m的加強(qiáng)鋼筋。

        5 斜柱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

        本文以工程中鋼框架斜柱結(jié)構(gòu)為例,研究了斜柱節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)及其對(duì)相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件、樓板受力性能的影響[3]。通過(guò)分析,該工程中斜柱范圍內(nèi)框架梁柱及樓板均能滿足結(jié)構(gòu)安全要求,為進(jìn)一步滿足性能目標(biāo)設(shè)計(jì)要求,斜柱層加強(qiáng)措施如下:①加強(qiáng)與斜柱上下層相連的梁截面,按拉彎、壓彎構(gòu)件復(fù)核梁承載力。②斜柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域通過(guò)增加斜柱壁厚可有效減小節(jié)點(diǎn)應(yīng)力水平,為大震作用下的性能目標(biāo)儲(chǔ)備一定的安全度。③提高斜柱上下層樓板板厚配筋,采用板底順肋方向附加底筋,板頂雙向拉通配筋,同時(shí)提高斜柱附近受拉方向樓板配筋率。

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