基于PKPM中STS模塊的門式剛架內(nèi)力分析

李 森,田興運

(西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊凌712100)

0 前 言

PKPM中STS模塊是中國建筑科學研究院開發(fā)的集平面空間于一體的功能強大的以鋼結(jié)構(gòu)計算為主導的建筑軟件,是目前國內(nèi)應用最廣泛,被絕大多數(shù)設計院所認可的鋼結(jié)構(gòu)計算程序[1～3]。在畢業(yè)設計過程中,通過應用STS進行門式剛架設計,發(fā)現(xiàn)極大地提高了效率,因此熟練地掌握STS,對于從事鋼結(jié)構(gòu)設計的人來說是非常必要的。以下結(jié)合畢業(yè)設計,就PKPM中STS模塊如何進行門式剛架內(nèi)力分析展開論述。

1 設計條件

1.1 設計資料

該工程為寬18 m、長36 m的雙坡單跨門式剛架廠房,標準柱距6 m,屋面坡度10%,檐口高度7.2 m,柱底標高-0.20 m,每跨設1臺吊車,墻面1.2 m以下為磚墻,屋脊標高為8.1 m,屋面檁條以及墻梁采用冷彎C型鋼,柱間設兩道橫向水平支撐。

1.2 設計參數(shù)[4,5]

地面粗糙度:B類

結(jié)構(gòu)重要系數(shù):γ0=1.0

基本風壓:ω0=0.35 kN/m2

基本雪壓:ζ0=0.3 kN/m2

屋面活載:

設計檁條q=0.5 kN/m2

設計剛架q=0.3 kN/m2

屋面恒載:g=4.02 kN/m2

屋面板:角馳Ⅲ型單層彩鋼板

墻面板:820型雙層彩鋼板

吊車荷載:每跨均為1臺A5級5 t橋式吊車

吊車參數(shù)如表1所示。

表1 吊車參數(shù)

2 模型的建立

2.1 兩種建模方式

(1)快速建模;

(2)普通建模。

本設計采用快速建模。

點擊桌面PKPM快捷方式,點選鋼結(jié)構(gòu)模塊,進入STS門式剛架二維設計程序主界面,如圖1所示。

點擊圖1中的【快捷建?！肯吕藛?如圖 2所示。在彈出的下拉菜單中選擇【門式剛架】,進入門式剛架快速建模截面,輸入跨的信息,如圖3所示。

圖1 門式剛架二維設計程序主界面

圖2 快速建模下拉菜單

圖3 門式剛架快速建模界面

2.2 構(gòu)件截面定義及布置

2.2.1 柱定義及布置

在進行柱布置之前,首先要進行柱截面定義,依次點取【柱布置】→【截面定義】,進入截面定義對話框,如圖4所示。

圖4 柱截面定義對話框

對于新建項目,點選【增加】,從系統(tǒng)截面庫里選擇截面類型,輸入尺寸,如圖5和圖6所示。定義好截面以后,進行柱的布置:選擇定義好的截面,點擊圖6中的【確定】按鈕,進入柱布置截面,輸入柱對軸線的偏心和柱截面的布置方式,如圖6、圖7所示①對于邊柱,如果柱的中心線和軸線不在同一條線上,需輸入偏心距,左偏為正,右偏為負。。

圖5 柱截面類型

圖6 柱截面參數(shù)對話框

參數(shù)解釋:

材料:選擇5—鋼

軸壓對Y軸截面分類:b類[2]

圖7 柱對軸線的偏心及柱截面布置角度輸入

2.2.2 梁定義及布置

步驟同柱的定義及布置,參考2.2.1中關于柱的定義及布置,此處不再贅述。柱截面尺寸為:H450×200×8×12(單位:mm)。

2.2.3 梁柱計算長度定義

2.2.3.1 梁平面內(nèi)的計算長度

梁平面內(nèi)的計算長度理論上應該取彎矩包絡圖兩反彎點之間的距離,STS考慮的計算長度是梁在兩柱之間的斜線長度,根據(jù)彎矩包絡圖可以看出這個值比反彎點之間的距離要長,所以STS是偏安全計算的。在確定梁平面內(nèi)的計算長度時,在STS平面分析程序中,平面內(nèi)計算長度的系數(shù)默認為-1,表示由程序自動確定計算長度系數(shù)[3]。本工程為單跨剛架,故采用系數(shù)-1。

2.2.3.2 梁平面外的計算長度

門式剛架結(jié)構(gòu)中梁構(gòu)件平面外的計算長度為其有效側(cè)向支撐點間的距離,其主要依據(jù)是支撐點處一般為平面外失穩(wěn)波形的反彎點,屋面檁條連接于梁的上翼緣,而梁的上、下翼緣都可能因為受壓而產(chǎn)生側(cè)向失穩(wěn)。當梁截面高度不是很大,跨度較小時,可認為隅撐可以起到下翼緣平面外側(cè)向支撐的作用,以3 m作為平面外計算長度來計算屋面梁的平面外穩(wěn)定[3]。

2.2.3.3 柱平面內(nèi)的計算長度

對于鋼柱,程度可以根據(jù)梁柱線剛度比自動計算柱子的計算長度系數(shù)。

2.2.3.4 柱平面外的計算長度

對于單層吊車廠房柱,牛腿標高以下柱的長度作為下段柱的計算長度,牛腿標高到柱頂標高之間的距離作為上段柱的計算長度[3]。

2.2.4 設置梁柱接點

本工程所有節(jié)點均為剛接,所以不用設置鉸接點,程序默認情況下,所有節(jié)點均為剛接,所以在此不用修改,默認即可。

2.2.5 恒載輸入

程序提供3種恒載輸入方式:節(jié)點荷載、柱間恒載、梁間恒載,如圖8、圖9和圖10所示。

屋面恒載轉(zhuǎn)化為線性荷載形式按照梁間恒載輸入,本工程屋面恒載g=4.02 kN/m2,轉(zhuǎn)化為線荷載g1=4.02×6=24.12 kN/m,在圖10中輸入,然后通過窗選方式選擇所有梁單元。

圖8 輸入節(jié)點荷載

圖9 柱間恒載輸入

圖10 梁間恒載輸入

下面定義柱間恒載,作用在柱子上的恒載只有吊車梁的自重,故按節(jié)點恒載輸入,如圖8所示。該情況下只需考慮節(jié)點彎矩和節(jié)點豎向力,通過計算:M=6.2 kN?m①注意輸入彎矩時以順時針為正,選擇節(jié)點需在布置模式或窗口模式下進行。,V=8.2 kN。

2.2.6 活載輸入

屋面活載取0.3 kN/m,按梁間活載方式輸入,操作方法同恒載輸入,此處不再贅述。

2.2.7 左風輸入

程序提供4種左風荷載輸入方式:節(jié)點左風、柱間左風、梁間左風及自動布置。一般對于不規(guī)則結(jié)構(gòu),采用人工干預方法,對于規(guī)則對稱的門式剛架結(jié)構(gòu),最有效的是采取自動布置[3]。本工程采用自動布置,如圖11所示。各數(shù)據(jù)輸入后點擊【確定】,完成左風荷載的自動布置。

圖11 左風自動輸入與修改對話框

參數(shù):地面粗糙度取B類[4];

基本風壓取0.35 kN/m[4];

調(diào)整系數(shù)取1.05[5]。

2.2.8 右風輸入

方法同左風荷載布置,如圖12所示。

圖12 右風自動輸入與修改對話框

2.2.9 吊車荷載輸入

點擊【吊車荷載】(圖1),彈出如圖13所示的界面。點擊【吊車數(shù)據(jù)】進行吊車荷載定義,彈出吊車荷載定義截面,如圖14所示。點擊【增加】,程序彈出如圖15所示的界面。點擊按鈕,進入吊車荷載輸入向?qū)鐖D16所示。點擊【第一臺吊車序號1】,彈出吊車數(shù)據(jù)輸入對話框,如圖17所示。將甲方提供的吊車數(shù)據(jù)或從吊車庫中選擇的已有吊車數(shù)據(jù)輸入到各欄內(nèi),然后點擊【增加】,再點擊【確定】,返回圖 16所示界面,點擊【計算】得到吊車荷載計算結(jié)果,點擊【直接導入】,返回到圖15,剛才計算得到的吊車荷載自動導入到表格中,點擊【確定】,彈出如圖14所示界面,點擊【存入用戶吊車庫】,將定義吊車荷載存入吊車庫。

2.2.10 鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入

點擊【參數(shù)輸入】(圖1),進入【鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入與修改】界面。

點選【結(jié)構(gòu)類型參數(shù)】,輸入各參數(shù),如圖18所示。

點選【總信息參數(shù)】,輸入各參數(shù),如圖19所示。

圖13 吊車荷載輸入截面

圖14 吊車荷載定義

圖15 吊車荷載數(shù)據(jù)

圖16 吊車荷載輸入向?qū)?/p>

點選【地震計算參數(shù)】,如圖20所示。門式剛架輕型結(jié)構(gòu)在設防烈度為7°或7°以下時,不考慮地震作用[5]。本工程屬于7°設防地區(qū),基本加速度為 0.1g,地震分組為第二組[4],故無需考慮抗震,選則“5—不考慮”。

圖17 吊車荷載輸入對話框

點選【荷載分項及組合系數(shù)】,得到如圖 21所示界面,其中參數(shù)由程序自動給出,不需修改。

圖18 結(jié)構(gòu)類型參數(shù)輸入

圖19 總信息參數(shù)輸入

圖20 地震計算參數(shù)輸入

圖21 荷載系數(shù)及組合系數(shù)輸入

2.2.11 計算簡圖

點擊【計算簡圖】(圖1),可以查詢模型的幾何、荷載等相關信息,菜單如圖22所示。

圖22 簡圖查詢菜單

3 電算結(jié)果及其分析

3.1 電算結(jié)果

電算結(jié)果如圖23所示,分別為彎矩包絡圖、剪力包絡圖和軸力包絡圖。

圖23 電算結(jié)果圖

3.2 結(jié)果分析

由以上內(nèi)力包絡圖知,剛架控制截面為斜梁兩端面、柱頂截面、柱腳截面及吊車作用處截面,選用材料后以計算出的內(nèi)力為依據(jù)可以查看軟件自動分析結(jié)果,從軟件計算文本知,本工程所選構(gòu)件均滿足要求。

4 結(jié) 語

本文用PKPM中的STS模塊建立了二維門式剛架內(nèi)力計算模型,通過計算得出門式剛架設計控制截面為:斜梁兩端面、柱頂截面、柱腳截面及吊車作用處截面,且由軟件計算文檔知初選截面都能滿足受力及變形要求。同時通過建模計算將STS用于門式鋼結(jié)構(gòu)設計時便捷高效的優(yōu)點體現(xiàn)了出來。

[1]楊秋鳴.正確理解和掌握PKPM程序[J].山西煤炭管理干部學院學報,2006,(1):124-125.

[2]戴國欣.鋼結(jié)構(gòu)(第3版)[M].武漢:武漢理工大學出版社,2007.

[3]易富民,董 偉.PKPM STS鋼結(jié)構(gòu)設計—從入門到精通[M].大連:大連理工大學出版社,2010.

[4]GB50009—2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[5]CECS102—2002.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.