超大跨度懸挑混凝土框桁架雜交結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型

王世宇 唐思賢 史俊濤

(貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州貴陽 550003)

1 概述

近年來，由于建筑技術(shù)、建筑材料的發(fā)展及復(fù)雜建筑的功能要求，超大跨度懸挑結(jié)構(gòu)覆蓋跨度大，承載力高，造型優(yōu)美且富有藝術(shù)表現(xiàn)力，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。大跨度懸挑結(jié)構(gòu)由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式往往會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)力，引起懸挑端極大的豎向位移，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性造成一定的影響。本文以遵義市規(guī)劃展覽館為研究對(duì)象，對(duì)超大跨度懸挑混凝土框桁架雜交結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。遵義市規(guī)劃展覽館是遵義市重點(diǎn)控制工程之一，項(xiàng)目主體展館部分平面尺寸為66m×77m，地上2層，建筑總高度為18.6m。展館主體結(jié)構(gòu)采用下部收進(jìn)上部大懸挑結(jié)構(gòu)(見圖1，圖2)，體系的豎向剛度明顯不規(guī)則，展覽館主體結(jié)構(gòu)為混凝土框桁架雜交結(jié)構(gòu)，懸挑部分外墻是由主體部分懸挑出的長(zhǎng)度為22m鋼筋混凝土桁架構(gòu)成，使得結(jié)構(gòu)體系在靜力及地震作用下，動(dòng)力響應(yīng)性能成為結(jié)構(gòu)體系安全控制的關(guān)鍵因素。

2 有限元模型

模型懸挑部分上部屋面及下部樓面板均采用密肋樓板，中部墻面采用混凝土桁架(見圖3)。結(jié)構(gòu)樓面板及屋面板均采用彈性板單元，桁架上下弦桿及豎向腹桿均采用彈性梁?jiǎn)卧?，斜腹桿采用桿單元，上、下弦桿截面尺寸為600mm×800mm，豎向腹桿及斜向腹桿截面尺寸為600mm×600mm。所有構(gòu)件均采用C35級(jí)混凝土，彈性模量 3.15E10N/m2，泊松比 0.21;密度為2500kg/m3。樓面荷載恒荷載 2.0kN/m2、活荷載 5.0kN/m2;屋面載荷恒荷載4.0kN/m2、活荷載2.0kN/m2，采用1.2倍恒載 +1.4倍活載作為設(shè)計(jì)值。

3 超大懸挑混凝土框桁架結(jié)構(gòu)懸挑桁架體系優(yōu)化選型及靜力分析

為研究懸挑部分結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)靜力特性的影響，本文通過調(diào)整懸挑混凝土桁架腹桿方向、懸挑桁架節(jié)間距、懸挑部分樓板厚度等參數(shù)來對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力特性分析，具體采用如下7個(gè)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，模型示意圖見圖4。

圖1 2層樓面結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 HJ-1示意圖

模型1:懸挑部分桁架采用6節(jié)桁架，板厚取120mm，斜腹桿向外傾斜。

模型2:懸挑部分桁架采用6節(jié)桁架，板厚取120mm，斜腹桿向內(nèi)傾斜。

模型3:懸挑部分桁架采用6節(jié)桁架，板厚取120mm，斜腹桿米字形傾斜。

模型4:懸挑部分桁架采用6節(jié)桁架，板厚取100mm，斜腹桿向外傾斜。

模型5:懸挑部分桁架采用6節(jié)桁架，板厚取140mm，斜腹桿向外傾斜。

模型6:懸挑部分桁架采用7節(jié)桁架，板厚取120mm，斜腹桿向外傾斜。

模型7:懸挑部分桁架采用5節(jié)桁架，板厚取120mm，斜腹桿向外傾斜。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，本文選取懸挑結(jié)構(gòu)中懸挑桁架受力最不利的3根弦桿梁(1號(hào)桿、2號(hào)桿、3號(hào)桿)，2根斜腹桿(4號(hào)桿、5號(hào)桿)進(jìn)行內(nèi)力分析比較(見圖4模型1)。在設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的荷載組合工況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件靜力特性見表1。

表1 模型(1～7)中HJ-1最大撓度及內(nèi)力

圖4 模型示意圖

由表1分析可知:懸挑桁架腹桿傾斜方式取為米字形時(shí)懸挑桁架最大撓度最小;隨板厚增加最大撓度相應(yīng)減小，但當(dāng)板厚達(dá)到120mm時(shí)趨于穩(wěn)定;隨節(jié)間距增加懸挑部分最大撓度相應(yīng)增加，懸挑節(jié)數(shù)取到6節(jié)時(shí)幅度變化可以忽略。

結(jié)構(gòu)懸挑桁架內(nèi)力分布規(guī)律，結(jié)構(gòu)弦桿承受力由上向下由拉力變化為壓力，承受剪力及彎矩自上而下增加，因此1號(hào)桿承受拉力最大，3號(hào)桿承受壓力、剪力、彎矩均為最大，斜腹桿中上層承受壓力小于下層腹桿，4號(hào)桿。

上弦桿(1號(hào)桿)承受內(nèi)力以軸向拉力為主，剪力及彎矩相對(duì)較小。上弦桿在腹桿傾斜方向呈米字形承受拉力最小;且內(nèi)力隨板厚增加，上弦桿承受拉力不斷減小，但減小幅度較小;懸挑節(jié)數(shù)少于6節(jié)時(shí)1號(hào)桿內(nèi)力明顯增加。

下部弦桿(3號(hào)桿)承受內(nèi)力軸向壓力、彎矩及剪力在弦桿中最大，3號(hào)桿軸向壓力、彎矩及剪力均在斜腹桿呈米字形時(shí)最小且明顯優(yōu)于其他兩種模型;隨著板厚增加，3號(hào)桿內(nèi)力相應(yīng)增加，但幅度較小，可以忽略;隨節(jié)間距增大，3號(hào)桿軸向壓力相應(yīng)增加，而剪力及彎矩相應(yīng)減小。

斜腹桿(4號(hào)桿)隨板厚增加，其所承受軸力相應(yīng)增加，當(dāng)懸挑桁架節(jié)數(shù)取為6節(jié)時(shí)結(jié)構(gòu)承受軸向壓力最小。

綜上所述，結(jié)構(gòu)懸挑桁架腹桿傾斜方式取為米字形，板厚取為120mm，節(jié)數(shù)取為6節(jié)時(shí)結(jié)構(gòu)靜力特性最優(yōu)。

4 結(jié)語

以遵義市規(guī)劃展覽館工程為背景，對(duì)結(jié)構(gòu)懸挑桁架進(jìn)行了優(yōu)化選型，并對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力以及動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論:1)在靜力作用下，力學(xué)模型計(jì)算懸挑桁架單元的最大撓度變形及承受內(nèi)力均滿足規(guī)范要求，可見懸挑22m長(zhǎng)的混凝土桁架結(jié)構(gòu)在理論上應(yīng)該是沒有問題的。2)進(jìn)行優(yōu)化選型，對(duì)比各模型結(jié)構(gòu)懸挑部分最大撓度、懸挑部分桁架的最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力等指標(biāo)，從而得出結(jié)構(gòu)懸挑桁架部分桁架腹桿采用米字形布置、懸挑部分板厚采用120mm及懸挑部分桁架采用6節(jié)時(shí)，結(jié)構(gòu)不僅滿足安全承載力要求，還能很好控制結(jié)構(gòu)最大豎向位移。3)懸挑混凝土桁架中除了腹桿傾斜方向?qū)Y(jié)構(gòu)靜力特性影響顯著外，其他兩種因素懸挑部分板厚、懸挑桁架節(jié)間距對(duì)結(jié)構(gòu)靜力特性影響均較小。

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