格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)的有限元分析及應(yīng)用

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)以其多樣靈活，受力明確等優(yōu)勢在工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計中占據(jù)了不可或缺的地位。尤其在空間造型復(fù)雜，設(shè)備荷載大，空間跨度大的結(jié)構(gòu)中顯示了巨大的優(yōu)勢。那么對這類鋼結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計分析就顯得尤為重要了。鋼結(jié)構(gòu)因其各向同性的材料屬性在線性靜力計算中可以有效的進(jìn)行有限元模擬，來對設(shè)計進(jìn)行分析以及前處理。

關(guān)鍵詞：格構(gòu)式；鋼結(jié)構(gòu)；線彈性；分析；應(yīng)用

中圖分類號：TU476

1 500kV格構(gòu)式構(gòu)架

1.1 背景

500kV格構(gòu)式全聯(lián)合構(gòu)架在國內(nèi)變電站的支架設(shè)計中少有采用，但由于其節(jié)省材料、節(jié)省占地、便于施工、節(jié)省投資等優(yōu)點，近年來在變電站設(shè)計中被極力推廣及應(yīng)用。

1.2 線彈性分析模型及假定

格構(gòu)式構(gòu)架的分析通常采用空間線性分析方法，設(shè)計中一般采用SAP、MIDAS軟件利用內(nèi)含多種多樣的有限元，對格構(gòu)式構(gòu)架進(jìn)行可靠有效的空間有限元分析。

按照鋼結(jié)構(gòu)材料屬性在有限元分析中將其定義為各向同性均質(zhì)材料在單元選取上格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)一般可以定義為桁架單元或梁單元。根據(jù)采用的500kV格構(gòu)式構(gòu)架的空間特性。利用梁單元每個節(jié)點可以考慮6個變形自由度的單元特性來模擬其空間特性，建立的三維空間模型詳見圖1。

節(jié)點作為格構(gòu)式結(jié)構(gòu)主要傳里構(gòu)件，將格構(gòu)式梁與格構(gòu)式柱的二維受力情況傳遞到每個節(jié)點上，再將力傳遞給柱腳。柱腳連接定義空間每個節(jié)點6個約束，保證結(jié)構(gòu)模型的計算收斂。

1.3 空間模型計算

由于結(jié)構(gòu)所在地區(qū)按照抗震規(guī)范不在抗震設(shè)防要求范圍內(nèi)，故模型的計算不考慮地震的非線性受力情況，即反應(yīng)譜分析及時程分析。

根據(jù)模型的假定及定義，計算方法采用線性靜力分析法，利用軟件的有限元Skyline求解器進(jìn)行空間模擬。使用優(yōu)化的運算原理在短時間內(nèi)對大部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，具體空間變形及應(yīng)力計算結(jié)果詳見圖2、3。

該結(jié)構(gòu)的線性靜力分析模型同時可以輸出結(jié)構(gòu)的動態(tài)三維應(yīng)力變化曲線及其它后處理結(jié)構(gòu)，在后期設(shè)計中可以對前處理的模型定義進(jìn)行優(yōu)化，將結(jié)構(gòu)設(shè)計完善。

2 空冷鋼結(jié)構(gòu)平臺

2.1 平臺結(jié)構(gòu)

平臺承重結(jié)構(gòu)由斜支于柱上的格構(gòu)式支撐和空間交叉的鋼桁架組成。支撐結(jié)構(gòu)是直接空冷裝置的主要承重設(shè)備，其支撐結(jié)構(gòu)相當(dāng)龐大。

縱橫交叉的鋼桁架構(gòu)成網(wǎng)格，鋼桁架上設(shè)置平臺板以滿足工藝要求，并保證鋼桁架平面外的側(cè)向穩(wěn)定。由于風(fēng)機(jī)屬于低轉(zhuǎn)速的動力設(shè)備，故支撐風(fēng)機(jī)的鋼桁架應(yīng)有足夠的自身剛度，同時應(yīng)采取積極有效的減振措施，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)機(jī)運行的各種工況下發(fā)生共振。鋼桁架與柱和支撐應(yīng)為鉸接連接。

支撐結(jié)構(gòu)是由柱，鋼架梁，托架，三角架，各種支撐和基礎(chǔ)及其它一些輔助性構(gòu)件組合而成的空間剛性骨架，承受作用在結(jié)構(gòu)上的各種荷載，是整個空冷凝汽器裝置的承重骨干。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)的選型

2.2.1 架構(gòu)柱網(wǎng)布置及構(gòu)架柱選型

構(gòu)架柱型式考慮兩種方案：鋼筋混凝土現(xiàn)澆空心柱和格構(gòu)式鋼柱，截面型式分別如下圖4所示：

2.2.2 剛架體系

為使剛架體系受力合理并有足夠的剛度，鋼架梁應(yīng)有適當(dāng)?shù)母呖绫?，即計算跨度L給定時，應(yīng)有適當(dāng)?shù)母叨萮。對平行弦類型的剛架，通常采用下式計算：

平臺承重結(jié)構(gòu)由空間交叉的鋼桁架和托架及斜支于柱上的角支撐和斜支撐組成。鋼桁架上設(shè)置平臺板，以滿足工藝要求，并保證其本身在平面外的側(cè)向穩(wěn)定。鋼桁架與柱、支撐的連接均為鉸接。

對應(yīng)于單元群布置形式，由支撐結(jié)構(gòu)的剛架體系組成了兩項正交正放網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格內(nèi)部為平面剛架；網(wǎng)格周邊為空間剛架。

2.3 結(jié)構(gòu)計算

結(jié)構(gòu)力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，其內(nèi)容就是在特定的荷載條件下，求得結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形量，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木植空{(diào)整。支撐結(jié)構(gòu)主要是由桿件組成的，因此可采用空間剛架桿單元，采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜動力計算。

目前Midas、PKPM等軟件基本可以完成該部分結(jié)構(gòu)的建模計算，但尚需ANSYS或者其它相應(yīng)手算進(jìn)行內(nèi)力復(fù)核。在實際結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行比照分析基礎(chǔ)上，對整個空冷平臺構(gòu)架模型進(jìn)行合理優(yōu)化。

在建立本構(gòu)模型中，需要考慮混凝土構(gòu)件與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的線性與非線性相互關(guān)系，使結(jié)構(gòu)在模型分析中能夠合理反映真實的結(jié)構(gòu)受力。

3 結(jié)論與展望

由于500kV鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式構(gòu)架在工程中的特殊性，未將地震及溫度應(yīng)力等非線性分析考慮其中，因此結(jié)構(gòu)的計算及分析存在一定的局限性及不確定性?？梢酝ㄟ^ANSYS，SAP2000軟件在非線性分析和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的獨特優(yōu)勢進(jìn)行完善分析。但是該格構(gòu)式構(gòu)架的線彈性靜力有限元分析，在實際應(yīng)用中已經(jīng)具有一定的參考意義及應(yīng)用價值。

格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)空冷平臺文中只是根據(jù)工藝布置對支撐結(jié)構(gòu)的各部分進(jìn)行了一些結(jié)構(gòu)的初步設(shè)置和荷載的類型及組合分析計算，對其結(jié)構(gòu)計算模型的建立和空間計算可以用過類似于500kV格構(gòu)式構(gòu)架的空間分析。

隨著工業(yè)結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)迅猛的發(fā)展，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域較以前的單一傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也發(fā)展出了新穎的經(jīng)濟(jì)的建筑結(jié)構(gòu)。由于格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中相對混凝土結(jié)構(gòu)造型多樣等特點，在今后的工業(yè)建筑設(shè)計將會有更廣闊的發(fā)展空間。

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作者單位：大連市建筑設(shè)計研究院有限公司，遼寧大連 116021