門式剛架結(jié)構(gòu)抗地表變形性能分析

卜令全, 夏軍武, 侯智超

(1.濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,山東 濰坊 261031;2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

門式剛架結(jié)構(gòu)抗地表變形性能分析

卜令全1, 夏軍武2, 侯智超2

(1.濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,山東 濰坊 261031;2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

為更好地了解采動區(qū)現(xiàn)有門式剛架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,以雙跨帶吊車門式剛架結(jié)構(gòu)為研究對象,采用物理實(shí)驗(yàn)和有限元模擬手段,分析了門式剛架結(jié)構(gòu)在地表壓縮、拉伸、傾斜 (不均勻沉降)、正曲率和負(fù)曲率變形條件下的附加應(yīng)力和附加位移的變化規(guī)律。最后得出了地表變形作用下門式剛架結(jié)構(gòu)的全局響應(yīng)及抗變形規(guī)律,為采動區(qū)門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

門式剛架;地表變形;附加應(yīng)力;數(shù)值模擬

Abstract:Aimed at a better insight into the mechanical properties of the currently used portal frame structure in mining subsidence area,this paper is focused on the study of the double-span portal frame structure with crane and introduces the use of the physical experiment and FEM to analyze the laws governing the additional stress and displacementof the portal frame construction,subjected to the surface compression,elongation,tilt(uneven settlement),and defo rmation of positive curvature and negative one.It follows that the global responses and the law governing deformation resistance of portal frame structure exposed to ground deformation provide the theoretical basis for the design of the portal frame structure in mining subsidence area.

Key words:portal frame;surface defo rmation;additional stress;numerical s imulation

0 引 言

地下資源 (煤炭、礦石、石油、地下水和天然氣等)的開采,城市地下工程 (地鐵、隧道和地下建筑等)的興建,以及巨大地殼運(yùn)動都是引起地表變形和不均勻沉降變形的因素。這種變形會直接影響建筑物的結(jié)構(gòu)安全。我國煤炭開采引起的地表變形在建筑結(jié)構(gòu)抗變形研究領(lǐng)域更應(yīng)加以重視。目前,采動區(qū)鋼框架結(jié)構(gòu)抗變形方面的研究成果很少[1-5],尤其缺少門式剛架結(jié)構(gòu)抗地表變形的研究[1-3]。因此,筆者采用物理實(shí)驗(yàn)和有限元模擬手段,研究了采動區(qū)門式剛架結(jié)構(gòu)的抗變形性能,以期得到更安全的結(jié)構(gòu)方案。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

以雙跨帶吊車門式剛架結(jié)構(gòu)廠房工程為研究對象,采用 1∶5縮比試件實(shí)驗(yàn)。邊柱高 1 680mm,中柱高 1 920mm,跨度 2×2 400mm,鋼梁、鋼柱截面尺寸均為 H100mm ×60 mm ×2.5 mm ×3.5 mm(已由材性實(shí)驗(yàn)測得 E為 2.041 6×105MPa),采用大底座鋼基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)試件簡圖見圖 1[1]。

圖 1 抗變形實(shí)驗(yàn)試件Fig.1 Spec imen of anti-deformation exper iment

1.2 加載方案

加載包括:(1)斜梁上施加固定荷載模擬檁條傳于剛架上的恒荷載,計(jì)算得斜梁上每隔 0.3 m施加集中力 P為 0.28 kN(采用砝碼進(jìn)行加載,下同);(2)柱牛腿處施加豎向荷載模擬吊車荷載,原型 3T吊車計(jì)算得,最大輪壓 Dmax為 2.14 kN,最小輪壓Dmin為 0.35 kN(水平荷載過小忽略不計(jì));(3)柱底基礎(chǔ)施加位移荷載模擬作用于剛架上的地表變形,加載均采用位移控制,以 B柱 (或A和 C柱)基礎(chǔ)固定,通過千斤頂分別對A和 C柱 (或 B柱)基礎(chǔ)施加一定大小和方向的位移,來模擬作用于基礎(chǔ)的地表變形;同時采用電阻應(yīng)變片、位移計(jì)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和記錄。具體加載方式見表 1。

表 1 地表變形加載方案Table 1 Application scheme of ground deformation

2 有限元模擬

2.1 有限元模型

采用大型通用有限元計(jì)算軟件 ANSYS,對地表變形下雙跨帶吊車門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。鋼梁、鋼柱均采用 BEAM188單元,基礎(chǔ)采用 SOL ID65單元。鋼梁、鋼柱的泊松比ν為 0.3,屈服準(zhǔn)則采用von Mises屈服準(zhǔn)則。雙跨帶吊車門式剛架的有限元模型 (尺寸同物理實(shí)驗(yàn))如圖 2[1]。

圖 2 有限元模型Fig.2 Fin ite elementmodel

2.2 荷載及邊界條件

有限元模型中,剛架結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)均為剛性節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)域設(shè)加勁肋,柱腳與基礎(chǔ)為剛性連接。ANSYS中,梁柱單元類型相同,兩者存在公共節(jié)點(diǎn)連接時默認(rèn)為剛接,而柱與基礎(chǔ)單元不同,文中通過建立約束方程實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)表面與柱腳的變形協(xié)調(diào),形成剛性柱腳。

為與物理實(shí)驗(yàn)對比分析,有限元模型施加的荷載、柱底變形施加的方式以及大小均與物理實(shí)驗(yàn)相同。邊界約束則施加于基礎(chǔ)表面,施加變形時則解除相應(yīng)方向上的約束,并施加一定大小的位移值。

筆者采用分步求解,先導(dǎo)出初應(yīng)力,再將其導(dǎo)入模型的方法。在考慮重力作用的情況下,可以保證所建模型的尺寸和初始應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際情況相符合,以便于后續(xù)載荷步的模擬計(jì)算,即在有限元分析中荷載分為兩步施加:首先施加土體初始地應(yīng)力,而后施加框架自重、地表變形等其他荷載[4]。

3 結(jié)果分析

3.1 水平地表變形

3.1.1 水平附加變形

物理實(shí)驗(yàn)與有限元模型在兩種水平地表變形下剛架邊柱腳、牛腿處和柱頂?shù)乃礁郊幼冃稳鐖D 3所示 (以 A柱的柱腳、牛腿處和柱頂為例;水平附加變形左為負(fù),右為正;下同)。

從圖 3可以看出,邊柱腳、牛腿處和柱頂?shù)乃礁郊幼冃?y均與水平地表變形 x呈線性關(guān)系,計(jì)算其回歸公式并加以對比 (表 2),除柱頂在拉伸變形下的相對誤差為 12.69%外,其他的均在 10%以內(nèi)(相對誤差指有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對誤差;后文回歸公式均省略)。柱腳的水平附加變形最為明顯,其次是牛腿處的,變化最小的為柱頂?shù)摹?/p>

圖 3 水平地表變形 -水平附加變形關(guān)系Fig.3 Relations of horizontal surface deformation and horizontal additional deformation

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3.1.2 附加應(yīng)力

物理實(shí)驗(yàn)與有限元模型在兩種水平地表變形下剛架梁上翼緣、柱外翼緣附加應(yīng)力見圖 4(以 A柱的柱腳外、牛腿處外、柱頂外和 AB梁的 A邊柱梁端上、跨中上、B中柱梁端上為例;附加應(yīng)力拉為正,壓為負(fù);下同)。

從圖 4可以看出,剛架梁柱各位置的附加應(yīng)力σ與水平地表變形均呈線性關(guān)系,計(jì)算其回歸公式并加以對比,除柱牛腿處外翼緣在壓縮變形下的相對誤差為 15.70%,梁中柱端上翼緣在壓、拉變形下的相對誤差分別為 16.34%和 14.13%外,其他相對誤差均在 10%以內(nèi)。水平地表變形下,柱腳的附加應(yīng)力最大,梁跨中處的最小,柱腳對柱起控制作用,邊柱梁端對梁起控制作用;水平拉、壓作用下,剛架的內(nèi)力分布規(guī)律及承受變形的能力基本相同。

圖 4 水平地表變形 -附加應(yīng)力關(guān)系Fig.4 Relations of horizontal surface deformation and additional stress

3.2 豎向地表變形

由于傾斜 (不均勻沉降)相對于框架不呈正對稱,文中考察以其下沉跨為研究對象,分析在豎向地表變形下的變化規(guī)律。

3.2.1 水平附加變形

物理實(shí)驗(yàn)與有限元模型在不均勻沉降和正、負(fù)曲率三種豎向地表變形下剛架邊柱腳、牛腿處和柱頂?shù)乃礁郊幼冃螐膱D 5和 6中可以看出,邊柱腳、牛腿處和柱頂?shù)乃礁郊幼冃尉S豎向地表變形呈線性關(guān)系 (圖 5、6),計(jì)算其回歸公式并加以對比,相對誤差均在10%以內(nèi)。不均勻沉降變形下,柱頂?shù)乃礁郊幼冃巫顬槊黠@,其次是牛腿處的,幾乎無變化的為柱腳的。曲率變形下,牛腿處的水平附加變形 最為明顯,其次是柱頂?shù)?幾乎無變化的為柱腳的。

圖 5 不均勻沉降變形 -水平附加變形關(guān)系Fig.5 Relations of uneven settlement and horizontal additional deformation

圖 6 正、負(fù)曲率變形 -水平附加變形關(guān)系Fig.6 Relations of positive and negative curvature deformation and horizontal additional deformation

3.2.2 附加應(yīng)力

物理實(shí)驗(yàn)與有限元模型在三種豎向地表變形下剛架梁上翼緣、柱外翼緣附加應(yīng)力如圖 7和 8所示。從圖 7和 8可以看出,剛架梁柱各位置的附加應(yīng)力與豎向地表變形均呈線性關(guān)系,計(jì)算其回歸公式并加以對比,除柱頂外翼緣在不均勻沉降變形下的相對誤差為 11.37%和柱底外翼緣在正曲率變形下的相對誤差為 12.41%外,其他相對誤差均在 10%以內(nèi)。不均勻沉降變形時,剛架梁柱各位置的應(yīng)力明顯小于曲率變形下的;柱各處附加應(yīng)力基本相同,梁的相差較大,邊柱梁端對梁起控制作用,梁跨中應(yīng)力最小。曲率變形時,中柱梁端的附加應(yīng)力最大,梁跨中的最小;柱頂對柱起控制作用,中柱梁端對梁起控制作用;正、負(fù)曲率變形作用下,剛架的內(nèi)力分布規(guī)律及承受變形的能力基本相同。

圖 7 不均勻沉降變形 -附加應(yīng)力關(guān)系Fig.7 Relations of uneven settlement and additional stress

圖 8 正、負(fù)曲率變形 -附加應(yīng)力關(guān)系Fig.8 Relations of positive and negative curvature deformation and additional stress

3.3 橫向?qū)Ρ?/p>

門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了五種地表變形加載,在兩對呈相反方向的正對稱加載變形 (水平地表壓、拉變形和正、負(fù)曲率變形)作用下,剛架結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變形附加值亦呈相反的變化趨勢。剛架結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力受呈反對稱的不均勻沉降變形的影響明顯小于受呈正對稱變形的影響。在水平、豎向地表變形作用下,剛架梁跨中處的附加應(yīng)力均最小,因此采用變截面梁的設(shè)計(jì)方法是可行的。

如前所述,實(shí)驗(yàn)中各種地表變形均采用位移控制的加載方式施加于剛架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。由于水平變形加載和豎向變形加載不同,剛架的剛度也不盡相同,因此加載過程中雖位移變化量相同,但作用力的變化是不同的。

3.4 綜合分析

由各考察項(xiàng)目的變化趨勢線對比可知,有限元模擬和物理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同,通過回歸公式計(jì)算,相對誤差絕大部分控制在 10%以內(nèi),數(shù)據(jù)值大小差距在可接受的范圍內(nèi),說明有限元模擬中對各種梁柱單元、基礎(chǔ)單元的選擇及相關(guān)力學(xué)參數(shù)的定義能很好地反映剛架的實(shí)際性能。進(jìn)一步比較可看出,物理實(shí)驗(yàn)中剛架的水平附加位移比有限元模擬中略大,而附加應(yīng)力比有限元模擬中略小,這主要是由實(shí)驗(yàn)中梁柱節(jié)點(diǎn)有螺栓滑移現(xiàn)象而有限元模擬中節(jié)點(diǎn)為完全剛接,及在實(shí)驗(yàn)過程中加載、采集數(shù)據(jù)的誤差等造成的。因此,有限元模擬方式是合理可行的。

4 結(jié) 論

(1)有限元模型中單元、相關(guān)力學(xué)參數(shù)及各種地表變形的模擬方式是合理可行的。

(2)各種地表變形下,剛架結(jié)構(gòu)的水平附加變形和附加應(yīng)力均隨地表變形呈線性關(guān)系。

(3)水平地表變形下,柱腳的水平附加變形最大;不均勻沉降變形下,柱頂?shù)乃礁郊幼冃巫畲?曲率變形作用下,牛腿處的水平附加變形最大。

(4)水平地表變形下,柱腳的附加應(yīng)力最大;柱腳對柱起控制作用,邊柱梁端對梁起控制作用。不均勻沉降變形下,柱各處附加應(yīng)力基本相同;梁的附加應(yīng)力相差較大,邊柱梁端對梁起控制作用。曲率變形作用下,中柱梁端的附加應(yīng)力最大;柱頂對柱起控制作用,中柱梁端對梁起控制作用。

(5)在相反加載的變形 (水平壓、拉變形和正、負(fù)曲率變形)下,剛架結(jié)構(gòu)的變形附加值亦呈相反的變化趨勢,且剛架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律及承受變形的能力基本相同。剛架的附加應(yīng)力受不均勻沉降變形的影響明顯小于受水平壓、拉變形和正、負(fù)曲率變形的影響。

(6)各種地表變形作用下,剛架梁跨中處的附加應(yīng)力均最小,因此在地表變形作用下采用變截面梁的設(shè)計(jì)方法是可行的。

[1] 卜令全.雙跨門式剛架結(jié)構(gòu)抗地表變形性能研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2010.

[2] 呂恒林,周淑春,胡敬禮.輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)抗地表變形措施的研究[J].工業(yè)建筑,2006,36(增刊):615-619.

[3] 夏軍武,王守祥,王寬如,等.位于老采空區(qū)上的門式剛架結(jié)構(gòu)抗變形性能分析研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2004,34(5):30-35.

[4] 謝 偉,夏軍武.內(nèi)嵌墻板 -鋼框架結(jié)構(gòu)抗地表變形實(shí)驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):城市科學(xué)版,2008,25(3):169-171,176.

[5] 夏軍武,丁 平,鄭玉瑩.地表變形引起鋼框架結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力和變形的試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):城市科學(xué)版,2008,25(3):13-16.

(編輯 王 冬)

Analysis of performance of portal frame structure resist ing ground deformation

BU Lingquan1, XIA Junwu2, HOU Zhichao2
(1.WeifangMunicipal EngineeringDesign&Reseach Institute,Weifang 261031,China;2.School ofMechanics&Civil Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

TU392.5

A

1671-0118(2010)05-0353-07

2010-09-11

卜令全 (1982-),男,山東省濰坊人,助理工程師,碩士,研究方向:建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)及采動區(qū)建 (構(gòu))筑物保護(hù),E-mail:quanlingbu@163.com。