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        格構(gòu)式輻形單柱鋼雨棚力學(xué)性能分析與加固研究

        2022-11-07 02:51:58李剛孫雨生牛功科
        特種結(jié)構(gòu) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:承載力模態(tài)

        李剛 孫雨生 牛功科

        1.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司) 北京100013

        2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司 北京100013

        引言

        單柱鋼雨棚具有外觀效果好、施工簡(jiǎn)便、布置靈活等優(yōu)點(diǎn),在城市中的應(yīng)用越來(lái)越多[1]。單柱雨棚的頂蓋形式多樣,其造型主要有7 字型、T字型和蘑菇型等[2,3](圖1);根據(jù)雨棚柱的結(jié)構(gòu)形式不同,又可細(xì)分為實(shí)腹式和格構(gòu)式。單柱鋼雨棚一般為構(gòu)筑物,建筑專業(yè)設(shè)計(jì)完成后,多由施工單位憑經(jīng)驗(yàn)直接加工并安裝完成后即投入使用,缺少結(jié)構(gòu)專業(yè)的技術(shù)支持,使用中可能會(huì)出現(xiàn)剛度不足、結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題。格構(gòu)式輻形單柱鋼雨棚是較為典型的蘑菇型單柱雨棚,因其整體性常被忽視更易出現(xiàn)前述問(wèn)題。

        圖1 單柱鋼雨棚Fig.1 Various lattice single column steel canopies

        本文所研究的某格構(gòu)式輻形單柱鋼雨棚頂蓋質(zhì)量較大,建造完成后頂蓋晃動(dòng)明顯,影響正常使用。因該雨棚已經(jīng)施工完成,且造型新穎,為保證建筑效果不宜采用增大截面加固。本文從雨棚晃動(dòng)入手,分析該雨棚的屈曲特性,提出了在雨棚的鋼片柱之間增加橫向連接,以改善其受力性能。

        1 鋼雨棚模型建立及穩(wěn)定承載力計(jì)算

        1.1 模型建立

        某雨棚由鋼頂蓋和格構(gòu)鋼片柱組成,如圖2所示,雨棚與旋轉(zhuǎn)樓梯不相連,其中格構(gòu)鋼片柱由互不相連的24 個(gè)鋼片立柱組成,其平面布置呈輻形,布置及尺寸見(jiàn)圖3。雨棚頂板板厚為10mm,立柱鋼片的厚度為20mm;根據(jù)上端與頂蓋的連接長(zhǎng)度不同,立柱分為A 型和B 型兩種,A型與頂蓋連接長(zhǎng)度較短。利用大型通用有限元軟件ABAQUS 建立鋼雨棚的分析模型,模型見(jiàn)圖4,立柱和頂蓋均用殼單元模擬[4,5];立柱和頂蓋的材料均為Q235,屈服強(qiáng)度235MPa,彈性模量為2.06 ×105MPa,本構(gòu)模型選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型[6],泊松比為0.3;頂蓋與立柱固接,約束立柱底部所有自由度;在ABAQUS中進(jìn)行分析時(shí)設(shè)置Step中的Nlgeon參數(shù)為On以考慮幾何非線性[4]。

        圖2 格構(gòu)單柱鋼雨棚實(shí)景Fig.2 Real scene of lattice single column steel canopy

        圖3 格構(gòu)鋼片柱平面布置及尺寸Fig.3 Plane layout and dimensions of the column

        圖4 鋼雨棚有限元模型Fig.4 Finite element model of steel canopy

        1.2 穩(wěn)定承載力計(jì)算

        1.模擬分析

        為得到鋼雨棚的穩(wěn)定承載力,需先對(duì)鋼雨棚進(jìn)行屈曲(buckling)分析,得到鋼雨棚的屈曲模態(tài)和屈曲因子,之后對(duì)鋼雨棚進(jìn)行risks 分析,將按屈曲模態(tài)分布的初始缺陷施加到模型中,進(jìn)一步求得鋼雨棚的穩(wěn)定承載力。對(duì)雨棚頂蓋施加1N豎直向下的集中力,得到單柱鋼雨棚的前三階屈曲因子分別為426191、790008 和866362,對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)見(jiàn)圖5。可以看出,在豎向壓力作用下,雨棚立柱的單肢先于整體發(fā)生失穩(wěn),各鋼片柱由于沒(méi)有相互約束而穩(wěn)定承載力較低,影響結(jié)構(gòu)的使用甚至造成安全問(wèn)題。

        圖5 鋼雨棚屈曲模態(tài)Fig.5 Buckling mode of original steel canopy

        得到鋼雨棚的屈曲因子后對(duì)鋼雨棚進(jìn)行非線性屈曲分析,以得到其穩(wěn)定承載力。本文借助ABAQUS中可以考慮初始缺陷影響的risks分析對(duì)鋼雨棚進(jìn)行非線性屈曲分析,利用前三階屈曲因子對(duì)其施加初始缺陷[7],得到該雨棚反力-位移曲線見(jiàn)圖6,從圖中可得該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力為395.9kN。

        圖6 鋼雨棚反力-位移曲線Fig.6 Reaction force-displacement of original steel canopy

        2.理論驗(yàn)算

        參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[8]計(jì)算單根立柱穩(wěn)定承載力,僅考慮直立部分,則穩(wěn)定承載力Nyu由下式計(jì)算:

        式中:Nyu為單根立柱的穩(wěn)定承載力;A為單根立柱的截面面積;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度;φ 為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù),需根據(jù)立柱的正則化長(zhǎng)細(xì)比λn計(jì)算確定,而λn由下式計(jì)算確定:

        式中:E 為鋼材的彈性模量,本文為2.06 ×105MPa;λ為立柱的長(zhǎng)細(xì)比,由下式計(jì)算:

        式中:l0為立柱的計(jì)算長(zhǎng)度,i 為立柱截面的回轉(zhuǎn)半徑。本文參考下端固定上端鉸接柱的穩(wěn)定性理論結(jié)果,立柱計(jì)算長(zhǎng)度取為3.5m,計(jì)算得到單根立柱的正則化長(zhǎng)細(xì)比為6.50,則軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ由下式確定:

        式中:α1與α2為與截面有關(guān)的系數(shù),根據(jù)GB 50017—2017[8]查表確定,本文分別為0.986 和0.152,最終計(jì)算得到穩(wěn)定系數(shù)φ為0.028,因此單根立柱的穩(wěn)定承載力為13.0kN,則24根立柱的總穩(wěn)定承載力為313.0kN。前節(jié)有限元分析得到的穩(wěn)定承載力為395.9kN,由于式(1)計(jì)算的穩(wěn)定承載力未考慮頂蓋對(duì)立柱的作用,僅考慮立柱的直立段,因此公式計(jì)算結(jié)果小于有限元模擬結(jié)果。

        2 鋼雨棚加固效果分析

        如前所述,現(xiàn)有雨棚單肢失穩(wěn)先于結(jié)構(gòu)整體,擬采用合理加固措施,使得單肢失穩(wěn)發(fā)生在整體失穩(wěn)之后。

        2.1 增加立柱鋼片厚度

        為分析不同鋼片厚度下鋼雨棚的穩(wěn)定承載力,對(duì)立柱鋼片厚度t =15mm、20mm 和25mm的3 種鋼雨棚模型進(jìn)行非線性屈曲分析,得到3種鋼雨棚的反力-位移曲線如圖7 所示,厚度為15mm、20mm和25mm時(shí)鋼雨棚的穩(wěn)定承載力分別為169.9kN、395.9kN和764.1kN??梢钥闯?,隨著鋼片厚度的增加,鋼雨棚的穩(wěn)定承載力提升,鋼片厚度從15mm 增加至20mm,穩(wěn)定承載力提高了133%,而厚度從20mm 增加到25mm時(shí),穩(wěn)定承載力提高了93%。

        圖7 不同鋼片厚度鋼雨棚反力-位移曲線Fig.7 Reaction force-displacement of steel canopy with different thickness

        為進(jìn)一步研究此類雨棚的力學(xué)性能,逐步增大雨棚立柱鋼片的厚度,結(jié)果表明,當(dāng)厚度達(dá)到33mm時(shí),雨棚的第一階屈曲模態(tài)變?yōu)檎w,即雨棚的整體失穩(wěn)先于立柱的單肢失穩(wěn),此時(shí)可以認(rèn)為雨棚不需要再行加固。

        2.2 增設(shè)橫向連接

        由于該鋼雨棚已經(jīng)施工完成并投入使用,無(wú)法直接增大立柱鋼片的厚度,本文采用在立柱間增加橫向連接的方式對(duì)鋼雨棚進(jìn)行加固,加固后的雨棚模型如圖8 所示,橫向連接為10mm 鋼板,布置于鋼片立柱的中部。加固后鋼雨棚前三階屈曲因子分別為109792、143580 和153295,對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)如圖9 所示。從圖9 可知,加固后的鋼雨棚屈曲模態(tài)與加固前相比發(fā)生了顯著的變化,加固前鋼雨棚的一階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為單根立柱的屈曲,而加固后鋼雨棚的一階屈曲模為整體的傾斜,第二階屈曲模態(tài)中立柱上段出現(xiàn)屈曲,而立柱下段的屈曲形態(tài)不明顯,第三階屈曲模態(tài)中立柱下段出現(xiàn)屈曲,而立柱上段的屈曲形態(tài)不明顯,說(shuō)明加固鋼雨棚立柱的整體性更強(qiáng),立柱間的連接改變了立柱的屈曲模態(tài),有效約束了立柱的屈曲。

        圖8 加固后的鋼雨棚模型Fig.8 model of reinforced steel canopy

        圖9 加固后鋼雨棚屈曲模態(tài)Fig.9 Buckling mode of reinforced steel canopy

        為進(jìn)一步研究該加固方法的加固效果,在保留加固方式和外形尺寸不變的情況下,對(duì)立柱鋼片的厚度進(jìn)行參數(shù)分析。對(duì)采用同樣方法加固但鋼片厚度不同的雨棚進(jìn)行模擬分析,得到鋼雨棚的穩(wěn)定承載力如圖10 所示,加固后厚度為15mm、20mm和25mm時(shí)鋼雨棚的穩(wěn)定承載力分別為481.9kN、833.1kN和1129.9kN,相比未加固的鋼雨棚,穩(wěn)定承載力分別提高了183.6%、110.4%和47.8%,提高較為明顯。從不同鋼片厚度的鋼雨棚承載力對(duì)比來(lái)看,鋼片厚度較小時(shí),加固效果更為顯著。加固效果隨著立柱鋼片厚度的增加而降低。

        圖10 增設(shè)橫向連接加固后不同鋼片厚度鋼雨棚反力-位移曲線Fig.10 Reaction force-displacement of steel canopy with different thickness reinforced by horizontal connections

        對(duì)比增設(shè)橫向連接和增加立柱鋼片厚度的加固效果可知,當(dāng)立柱鋼片的厚度從20mm增加到25mm 時(shí),鋼雨棚承載力從395.9kN 提高到764.1kN,而立柱鋼片的厚度為20mm 時(shí),增加橫向連接后鋼雨棚承載力為833.1kN,可以看出,加強(qiáng)立柱之間的連接相較增加立柱鋼片的厚度對(duì)雨棚承載力提升更為有效,且增加橫向連接加固的用鋼量更小,經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

        3 結(jié)論

        本文通過(guò)有限元模擬對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)雨棚的屈曲特性及穩(wěn)定承載力進(jìn)行了分析,利用規(guī)范公式驗(yàn)算了鋼雨棚的穩(wěn)定承載力。采用增加橫向連接鋼板的方式對(duì)鋼雨棚進(jìn)行了加固,對(duì)比研究了加固前后鋼雨棚屈曲模態(tài)的變化,分析了加固前后鋼雨棚的穩(wěn)定承載力,主要結(jié)論如下:

        1.結(jié)合建筑效果和工程現(xiàn)狀,在鋼片立柱間增設(shè)橫向連接鋼板對(duì)雨棚柱進(jìn)行加固,橫向連接的引入增強(qiáng)了各立柱之間的整體作用,提高了鋼雨棚的穩(wěn)定承載力,有效改變了第一階失穩(wěn)模態(tài),加固后雨棚力學(xué)性能提升明顯。

        2.對(duì)比研究了增加立柱鋼片的厚度和增設(shè)橫向連接的加固效果,研究結(jié)果表明兩者均能提高鋼柱雨棚的穩(wěn)定承載力。增加鋼片厚度經(jīng)濟(jì)性稍差,且隨著厚度增加,穩(wěn)定承載力的提高效果逐漸降低;相較于增加立柱鋼片的厚度,立柱之間增加橫向連接能有效增強(qiáng)各立柱間的共同作用,加固效果更為明顯,且經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

        該項(xiàng)目通過(guò)增設(shè)橫向連接后,結(jié)構(gòu)不再晃動(dòng),加固效果良好。建議在保證建筑效果的前提下,此類輻形格構(gòu)式雨棚宜采用增設(shè)橫向連接的加固方式以增強(qiáng)鋼柱雨棚的整體性。

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