高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)天橋的計(jì)算分析

劉君梅　劉玉

摘 要：文章采用空間有限元方法，結(jié)合具體工程對(duì)鋼結(jié)構(gòu)天橋各節(jié)點(diǎn)的受力特性做了研究分析和計(jì)算。分析結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)天橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求。可供同類橋梁的設(shè)計(jì)分析參考。

關(guān)鍵詞：有限元；鋼結(jié)構(gòu)天橋；受力分析

1 工程概況

某新建建筑22樓要修筑連接通道通往已建成的平臺(tái)廣場(chǎng)，且要盡量減小已建建筑平臺(tái)的受力，故考慮連接通道形式為斜拉式鋼結(jié)構(gòu)天橋。鋼結(jié)構(gòu)天橋主梁采用2條直線型H型鋼，中間由橫隔板連接，在H型鋼外側(cè)分別勻分布四根斜拉索，拉索錨固在24樓頂剪力墻內(nèi)，具體形式和尺寸如下圖所示：

圖1 鋼結(jié)構(gòu)天橋布置圖

2 有限元計(jì)算模型

2.1 主要材料和計(jì)算參數(shù)。鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）取值。拉索的破斷拉力則根據(jù)《一般用途鋼絲繩》（GBT20118-2006）計(jì)算取值。

計(jì)算參數(shù)：（1）永久作用的一期恒載：按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸考慮。二期恒載：雙側(cè)欄桿（15kN/m）+4cm鋼筋混凝土鋪裝（3.8kN/m）+2cm花崗巖面層（1.9kN/m）+6mm鋼板（1.872kN/m）=23kN/m。（2）可變作用人群荷載：整體計(jì)算時(shí)采用集度值為3.5kN/m2。（3）荷載組合根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009-2012）進(jìn)行荷載組合，按最不利組合進(jìn)行計(jì)算。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算方式。橋梁縱向計(jì)算采用按梁?jiǎn)卧丸旒軉卧Ｓ?jì)算，根據(jù)實(shí)際施工過程及使用過程的最不利狀況，進(jìn)行荷載組合，求得結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)下的應(yīng)力和位移，并需求出在正常使用階段鋼結(jié)構(gòu)天橋的自振頻率，按規(guī)范中所規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)，驗(yàn)算橋梁是否滿足要求。

2.3 有限元計(jì)算模型。根據(jù)高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)天橋的結(jié)構(gòu)形式，將斜拉索模擬成只受拉不受壓的桁架單元，主梁和次梁分別用梁?jiǎn)卧M，橋面、欄桿等簡(jiǎn)化為荷載，用有限元軟件midas /civil建模，具體形式可見以下模型：

圖2 鋼結(jié)構(gòu)天橋計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果描述

3.1 主梁與次梁計(jì)算結(jié)果。根據(jù)有限元模型，計(jì)算可知，主梁最大壓應(yīng)力56.2MPa，次梁最大拉應(yīng)力為8.7MPa。在承載能力極限狀態(tài)下，通過組合計(jì)算，最大壓應(yīng)力93.9MPa，次梁最大拉應(yīng)力為30.6MPa，符合規(guī)范要求。

3.2 拉索計(jì)算結(jié)果。索單元的最大內(nèi)力為255.4kN。本橋設(shè)計(jì)采公稱抗拉強(qiáng)度為1960MPa，為6×19S+IWR型號(hào)鋼芯鋼絲繩，通過查表可知，鋼絲繩最小破斷拉力為904kN。

安全系數(shù)K=904/255.4=3.54>3

由此可知，該鋼絲繩滿足需求。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)天橋應(yīng)力圖（MPa） 圖4 桁架單元內(nèi)力圖（kN）

3.3 錨固區(qū)計(jì)算結(jié)果。錨固區(qū)主要分為上、下錨點(diǎn)，上錨點(diǎn)為拉索錨點(diǎn)，下錨點(diǎn)為主梁與屋面梁相接的錨點(diǎn)。根據(jù)受力可知，上錨點(diǎn)受拉、下錨點(diǎn)受壓，而受拉錨點(diǎn)最危險(xiǎn)。故上錨點(diǎn)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）進(jìn)行錨固區(qū)受力計(jì)算，計(jì)算所需錨筋為8025.9mm2，實(shí)際配筋面積為9818 mm2，滿足規(guī)范要求。下錨點(diǎn)則根據(jù)構(gòu)造配筋即可。

3.4 撓度計(jì)算結(jié)果

圖5 [VT]作用下?lián)隙龋▎挝唬簃m） 圖6 [VQ]作用下?lián)隙龋▎挝唬簃m）

由此可知，主梁正常使用極限狀態(tài)下，22樓連接橋主梁在[VT]作用下，最大撓度為108mm-預(yù)拱度40mm=68mm<2l/400=115mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求； 22樓連接橋主梁在[VQ]作用下，最大撓度為39mm<2l/500=92mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。

3.5 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖7 鋼結(jié)構(gòu)天橋一階模態(tài)

對(duì)高層建筑上鋼結(jié)構(gòu)連接橋進(jìn)行有限元模態(tài)分析，質(zhì)量源選取為所有恒載，通過計(jì)算可知：鋼結(jié)構(gòu)一階自振頻率為3.02Hz滿足規(guī)范規(guī)定大于3Hz要求。橋梁使用性能滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過計(jì)算分析可知，該高層建筑中的鋼結(jié)構(gòu)天橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求?？晒┩悩蛄旱脑O(shè)計(jì)分析參考。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2] GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3] GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.

摘 要：文章采用空間有限元方法，結(jié)合具體工程對(duì)鋼結(jié)構(gòu)天橋各節(jié)點(diǎn)的受力特性做了研究分析和計(jì)算。分析結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)天橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求?？晒┩悩蛄旱脑O(shè)計(jì)分析參考。

關(guān)鍵詞：有限元；鋼結(jié)構(gòu)天橋；受力分析

1 工程概況

某新建建筑22樓要修筑連接通道通往已建成的平臺(tái)廣場(chǎng)，且要盡量減小已建建筑平臺(tái)的受力，故考慮連接通道形式為斜拉式鋼結(jié)構(gòu)天橋。鋼結(jié)構(gòu)天橋主梁采用2條直線型H型鋼，中間由橫隔板連接，在H型鋼外側(cè)分別勻分布四根斜拉索，拉索錨固在24樓頂剪力墻內(nèi)，具體形式和尺寸如下圖所示：

圖1 鋼結(jié)構(gòu)天橋布置圖

2 有限元計(jì)算模型

2.1 主要材料和計(jì)算參數(shù)。鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）取值。拉索的破斷拉力則根據(jù)《一般用途鋼絲繩》（GBT20118-2006）計(jì)算取值。

計(jì)算參數(shù)：（1）永久作用的一期恒載：按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸考慮。二期恒載：雙側(cè)欄桿（15kN/m）+4cm鋼筋混凝土鋪裝（3.8kN/m）+2cm花崗巖面層（1.9kN/m）+6mm鋼板（1.872kN/m）=23kN/m。（2）可變作用人群荷載：整體計(jì)算時(shí)采用集度值為3.5kN/m2。（3）荷載組合根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009-2012）進(jìn)行荷載組合，按最不利組合進(jìn)行計(jì)算。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算方式。橋梁縱向計(jì)算采用按梁?jiǎn)卧丸旒軉卧Ｓ?jì)算，根據(jù)實(shí)際施工過程及使用過程的最不利狀況，進(jìn)行荷載組合，求得結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)下的應(yīng)力和位移，并需求出在正常使用階段鋼結(jié)構(gòu)天橋的自振頻率，按規(guī)范中所規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)，驗(yàn)算橋梁是否滿足要求。

2.3 有限元計(jì)算模型。根據(jù)高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)天橋的結(jié)構(gòu)形式，將斜拉索模擬成只受拉不受壓的桁架單元，主梁和次梁分別用梁?jiǎn)卧M，橋面、欄桿等簡(jiǎn)化為荷載，用有限元軟件midas /civil建模，具體形式可見以下模型：

圖2 鋼結(jié)構(gòu)天橋計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果描述

3.1 主梁與次梁計(jì)算結(jié)果。根據(jù)有限元模型，計(jì)算可知，主梁最大壓應(yīng)力56.2MPa，次梁最大拉應(yīng)力為8.7MPa。在承載能力極限狀態(tài)下，通過組合計(jì)算，最大壓應(yīng)力93.9MPa，次梁最大拉應(yīng)力為30.6MPa，符合規(guī)范要求。

3.2 拉索計(jì)算結(jié)果。索單元的最大內(nèi)力為255.4kN。本橋設(shè)計(jì)采公稱抗拉強(qiáng)度為1960MPa，為6×19S+IWR型號(hào)鋼芯鋼絲繩，通過查表可知，鋼絲繩最小破斷拉力為904kN。

安全系數(shù)K=904/255.4=3.54>3

由此可知，該鋼絲繩滿足需求。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)天橋應(yīng)力圖（MPa） 圖4 桁架單元內(nèi)力圖（kN）

3.3 錨固區(qū)計(jì)算結(jié)果。錨固區(qū)主要分為上、下錨點(diǎn)，上錨點(diǎn)為拉索錨點(diǎn)，下錨點(diǎn)為主梁與屋面梁相接的錨點(diǎn)。根據(jù)受力可知，上錨點(diǎn)受拉、下錨點(diǎn)受壓，而受拉錨點(diǎn)最危險(xiǎn)。故上錨點(diǎn)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）進(jìn)行錨固區(qū)受力計(jì)算，計(jì)算所需錨筋為8025.9mm2，實(shí)際配筋面積為9818 mm2，滿足規(guī)范要求。下錨點(diǎn)則根據(jù)構(gòu)造配筋即可。

3.4 撓度計(jì)算結(jié)果

圖5 [VT]作用下?lián)隙龋▎挝唬簃m） 圖6 [VQ]作用下?lián)隙龋▎挝唬簃m）

由此可知，主梁正常使用極限狀態(tài)下，22樓連接橋主梁在[VT]作用下，最大撓度為108mm-預(yù)拱度40mm=68mm<2l/400=115mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求； 22樓連接橋主梁在[VQ]作用下，最大撓度為39mm<2l/500=92mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。

3.5 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖7 鋼結(jié)構(gòu)天橋一階模態(tài)

對(duì)高層建筑上鋼結(jié)構(gòu)連接橋進(jìn)行有限元模態(tài)分析，質(zhì)量源選取為所有恒載，通過計(jì)算可知：鋼結(jié)構(gòu)一階自振頻率為3.02Hz滿足規(guī)范規(guī)定大于3Hz要求。橋梁使用性能滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過計(jì)算分析可知，該高層建筑中的鋼結(jié)構(gòu)天橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求?？晒┩悩蛄旱脑O(shè)計(jì)分析參考。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2] GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3] GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.

摘 要：文章采用空間有限元方法，結(jié)合具體工程對(duì)鋼結(jié)構(gòu)天橋各節(jié)點(diǎn)的受力特性做了研究分析和計(jì)算。分析結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)天橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求?？晒┩悩蛄旱脑O(shè)計(jì)分析參考。

關(guān)鍵詞：有限元；鋼結(jié)構(gòu)天橋；受力分析

1 工程概況

某新建建筑22樓要修筑連接通道通往已建成的平臺(tái)廣場(chǎng)，且要盡量減小已建建筑平臺(tái)的受力，故考慮連接通道形式為斜拉式鋼結(jié)構(gòu)天橋。鋼結(jié)構(gòu)天橋主梁采用2條直線型H型鋼，中間由橫隔板連接，在H型鋼外側(cè)分別勻分布四根斜拉索，拉索錨固在24樓頂剪力墻內(nèi)，具體形式和尺寸如下圖所示：

圖1 鋼結(jié)構(gòu)天橋布置圖

2 有限元計(jì)算模型

2.1 主要材料和計(jì)算參數(shù)。鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）取值。拉索的破斷拉力則根據(jù)《一般用途鋼絲繩》（GBT20118-2006）計(jì)算取值。

計(jì)算參數(shù)：（1）永久作用的一期恒載：按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸考慮。二期恒載：雙側(cè)欄桿（15kN/m）+4cm鋼筋混凝土鋪裝（3.8kN/m）+2cm花崗巖面層（1.9kN/m）+6mm鋼板（1.872kN/m）=23kN/m。（2）可變作用人群荷載：整體計(jì)算時(shí)采用集度值為3.5kN/m2。（3）荷載組合根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009-2012）進(jìn)行荷載組合，按最不利組合進(jìn)行計(jì)算。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算方式。橋梁縱向計(jì)算采用按梁?jiǎn)卧丸旒軉卧Ｓ?jì)算，根據(jù)實(shí)際施工過程及使用過程的最不利狀況，進(jìn)行荷載組合，求得結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)下的應(yīng)力和位移，并需求出在正常使用階段鋼結(jié)構(gòu)天橋的自振頻率，按規(guī)范中所規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)，驗(yàn)算橋梁是否滿足要求。

2.3 有限元計(jì)算模型。根據(jù)高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)天橋的結(jié)構(gòu)形式，將斜拉索模擬成只受拉不受壓的桁架單元，主梁和次梁分別用梁?jiǎn)卧M，橋面、欄桿等簡(jiǎn)化為荷載，用有限元軟件midas /civil建模，具體形式可見以下模型：

圖2 鋼結(jié)構(gòu)天橋計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果描述

3.1 主梁與次梁計(jì)算結(jié)果。根據(jù)有限元模型，計(jì)算可知，主梁最大壓應(yīng)力56.2MPa，次梁最大拉應(yīng)力為8.7MPa。在承載能力極限狀態(tài)下，通過組合計(jì)算，最大壓應(yīng)力93.9MPa，次梁最大拉應(yīng)力為30.6MPa，符合規(guī)范要求。

3.2 拉索計(jì)算結(jié)果。索單元的最大內(nèi)力為255.4kN。本橋設(shè)計(jì)采公稱抗拉強(qiáng)度為1960MPa，為6×19S+IWR型號(hào)鋼芯鋼絲繩，通過查表可知，鋼絲繩最小破斷拉力為904kN。

安全系數(shù)K=904/255.4=3.54>3

由此可知，該鋼絲繩滿足需求。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)天橋應(yīng)力圖（MPa） 圖4 桁架單元內(nèi)力圖（kN）

3.3 錨固區(qū)計(jì)算結(jié)果。錨固區(qū)主要分為上、下錨點(diǎn)，上錨點(diǎn)為拉索錨點(diǎn)，下錨點(diǎn)為主梁與屋面梁相接的錨點(diǎn)。根據(jù)受力可知，上錨點(diǎn)受拉、下錨點(diǎn)受壓，而受拉錨點(diǎn)最危險(xiǎn)。故上錨點(diǎn)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）進(jìn)行錨固區(qū)受力計(jì)算，計(jì)算所需錨筋為8025.9mm2，實(shí)際配筋面積為9818 mm2，滿足規(guī)范要求。下錨點(diǎn)則根據(jù)構(gòu)造配筋即可。

3.4 撓度計(jì)算結(jié)果

圖5 [VT]作用下?lián)隙龋▎挝唬簃m） 圖6 [VQ]作用下?lián)隙龋▎挝唬簃m）

由此可知，主梁正常使用極限狀態(tài)下，22樓連接橋主梁在[VT]作用下，最大撓度為108mm-預(yù)拱度40mm=68mm<2l/400=115mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求； 22樓連接橋主梁在[VQ]作用下，最大撓度為39mm<2l/500=92mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。

3.5 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖7 鋼結(jié)構(gòu)天橋一階模態(tài)

對(duì)高層建筑上鋼結(jié)構(gòu)連接橋進(jìn)行有限元模態(tài)分析，質(zhì)量源選取為所有恒載，通過計(jì)算可知：鋼結(jié)構(gòu)一階自振頻率為3.02Hz滿足規(guī)范規(guī)定大于3Hz要求。橋梁使用性能滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過計(jì)算分析可知，該高層建筑中的鋼結(jié)構(gòu)天橋在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求。可供同類橋梁的設(shè)計(jì)分析參考。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2] GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3] GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.