空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究

林 治 民

(長(zhǎng)沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)管理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用范圍較廣，一般而言，其下部為混凝土框架結(jié)構(gòu)或框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。其下部支承結(jié)構(gòu)多為混凝土框架結(jié)構(gòu)或框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。將不同材料特性結(jié)構(gòu)分開設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大的差異，現(xiàn)行常用設(shè)計(jì)軟件Pkpm建模時(shí)常采用網(wǎng)架簡(jiǎn)化整體式方法建模，而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型不同，平面內(nèi)和平面外的剛度貢獻(xiàn)亦不同，水平荷載及豎向荷載作用下不同網(wǎng)架簡(jiǎn)化模型對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)影響較大。因此，對(duì)于上部為鋼網(wǎng)架，下部為混凝土框架的結(jié)構(gòu)采用整體式方法設(shè)計(jì)時(shí)，探究網(wǎng)架簡(jiǎn)化模型對(duì)下部混凝土支承結(jié)構(gòu)抗震性能參數(shù)的影響是保證工程安全亟需解決的問(wèn)題。

本文考慮上部鋼網(wǎng)架與下部混凝土結(jié)構(gòu)之間的相互作用，利用Pkpm和Midas兩種不同的計(jì)算軟件分別建立模型，探討網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不同建模方式對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較分析。

1 工程簡(jiǎn)介

某職業(yè)技術(shù)學(xué)院位于株洲，其風(fēng)雨操場(chǎng)為一典型大跨輕鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)59.1 m，寬35 m，總高18.8 m，結(jié)構(gòu)總體特征為大跨，大懸挑(側(cè)向最大達(dá)8.16 m)，下部看臺(tái)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部網(wǎng)架為鋼結(jié)構(gòu)，效果圖詳見(jiàn)圖1。

2 工程分析

2.1 Pkpm與Midas建模分析

Pkpm建模過(guò)程中，由于不能真實(shí)建立網(wǎng)架與下部主體結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作特性，工程實(shí)際常用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，上部網(wǎng)架單獨(dú)設(shè)計(jì)，把網(wǎng)架支座內(nèi)力輸入到下部混凝土框架結(jié)構(gòu)柱頂，同時(shí)設(shè)置剛性桿模擬其平面內(nèi)和平面外的剛性，整體模型詳見(jiàn)圖2。

Midas作為一種結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，可建立空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體模型，計(jì)算其在水平荷載及豎向荷載作用下的設(shè)計(jì)參數(shù)，且能真實(shí)計(jì)算平面內(nèi)和平面外剛度對(duì)下部混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。同時(shí)考慮下部混凝土框架結(jié)構(gòu)對(duì)上部鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響，更貼近網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，計(jì)算結(jié)果也更為準(zhǔn)確，整體模型詳見(jiàn)圖3。

2.2 Pkpm與Midas計(jì)算振型(模態(tài))參數(shù)分析

通過(guò)分析Pkpm和Midas建立模型的前兩個(gè)振型(模態(tài))，可知Pkpm第一振型(變形沿長(zhǎng)度方向,如圖4所示)顯示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力變形最大的部位為看臺(tái)頂平面位置的兩端，而Midas第一模態(tài)(變形沿長(zhǎng)度方向，如圖5所示)顯示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力變形最大的部位為看臺(tái)頂平面位置的斜撐端，另一側(cè)變形特性明顯偏?。籔kpm第二振型(變形沿寬度方向，如圖6所示)顯示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力變形最大的部位為看臺(tái)懸挑端，上部柱頂位置變形量較小，而Midas第二模態(tài)(變形沿寬度方向，如圖7所示)顯示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力變形最大的部位為網(wǎng)架及下部混凝土框架懸挑端與網(wǎng)架連接部位。由此可見(jiàn)，Pkpm和Midas反映的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變形特征存在較大差異，而Midas的變形特征更貼近網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)際變形特征。

2.3 Pkpm與Midas計(jì)算配筋(懸挑端)參數(shù)分析

通過(guò)分析Pkpm和Midas計(jì)算模型端部懸挑梁配筋可知，梁截面、水平荷載及豎向荷載均相同的條件下，Pkpm計(jì)算配筋為3 000 mm2,而Midas計(jì)算配筋為5 491 mm2，兩者相差1.8倍，考慮實(shí)際配筋主要由水平地震力控制，發(fā)生設(shè)防地震，如按Pkpm計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)配筋，則此處梁端節(jié)點(diǎn)將有率先破壞的安全隱患。

2.4 Pkpm與Midas計(jì)算位移參數(shù)分析

通過(guò)分析Pkpm和Midas相同工況下樓層位移比可知，Pkpm最大位移比(如表1所示)位于第1層，數(shù)值為1.58；Midas最大位移比(如表2所示)也位于第1層，數(shù)值為1.393，兩者相差1.13倍，且Pkpm位移比隨層數(shù)存在數(shù)值突變情況，與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變形特征不符，而Midas位移比隨層數(shù)變化更為均勻合理，更符合工程實(shí)際變形特征。

表1 Pkpm位移比

工況1 X方向風(fēng)荷載作用下的樓層最大位移FloorTowerJmaxJmaxDMax-(x)Max-DxAve-(x)Ave-DxRatio-(x)Ratio-DxhMax-Dx/hDxR/DxRatio-Ax511 1271 1320.930.070.810.071.141.002 8001/9 99966.00%0.83411 0841 0890.860.140.740.141.161.013 6001/9 9996.10%1.38315825820.720.150.580.131.241.183 6001/9 99927.00%1.07214874870.570.050.460.041.251.151 0001/9 99933.70%1.171199990.520.520.330.331.581.586 0001/9 99999.90%1.26注:X方向最大值層間位移角:1/9 999

表2 Midas位移比

2.5 Pkpm與Midas樓層受剪承載力參數(shù)分析

表3 Pkpm樓層受剪承載力

通過(guò)分析Pkpm和Midas相同工況下樓層受剪承載力可知，Pkpm計(jì)算結(jié)果(如表3所示)：薄弱層位于第1層，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.4條，將第1層的樓層地震剪力放大1.15倍；Midas計(jì)算結(jié)果(如表4所示)：薄弱層位于第3層，即與網(wǎng)架相鄰框架結(jié)構(gòu)柱頂位置。通過(guò)分析下部混凝土結(jié)構(gòu)布置可知，Pkpm計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況背離，存在較大計(jì)算誤差，而Midas計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。

表4 Midas樓層受剪承載力

3 結(jié)語(yǔ)

1)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)要考慮上部鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架和下部混凝土框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同性，建立的模型要真實(shí)反映兩者的變形特征，如計(jì)算模型不能模擬網(wǎng)架平面內(nèi)、外的剛度特征，則計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的差異。

2)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如分開計(jì)算，則下部混凝土結(jié)構(gòu)和上部鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)變形較大的部位會(huì)出現(xiàn)偏差，特別是懸挑部位、上下部結(jié)構(gòu)相連部位，設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，并直接影響結(jié)構(gòu)安全。

3)上部鋼結(jié)構(gòu)分開計(jì)算，下部混凝土柱頂輸入鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力，并采用剛性桿連接模擬鋼網(wǎng)架平面內(nèi)剛度，整體計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。因?yàn)?，上部鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架與下部混凝土結(jié)構(gòu)柱會(huì)產(chǎn)生協(xié)同變形，而剛性桿平面內(nèi)剛度無(wú)窮大，平面外剛度為零，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果中樓層薄弱層、位移比等計(jì)算參數(shù)失真，計(jì)算結(jié)果無(wú)法與工程實(shí)際相符，特別是較大水平荷載作用的工況，結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患。

4)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如分開計(jì)算，則下部混凝土和上部鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不能真實(shí)反映兩者的支座約束情況，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際出現(xiàn)較大誤差，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)予以考慮。