超高層建筑樓頂三面翻廣告牌鋼結(jié)構(gòu)分析

摘要：高層建筑頂部的廣告牌受外界影響因素復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)安全校核難度較大。根據(jù)山西宏圣可建9T26樓頂三面翻廣告牌的結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用有限元法分析了該廣告牌鋼結(jié)構(gòu)在恒載、活載、風荷載和地震作用等荷載構(gòu)成的四種工況下的位移與應(yīng)力。分析結(jié)果表明風荷載是影響高層建筑頂部廣告牌安全的關(guān)鍵因素；根據(jù)該三面翻廣告牌鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型對原結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足給出數(shù)值依據(jù)并給出整改加固措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑有限元法風荷載地震作用三面翻廣告牌鋼結(jié)構(gòu)

1結(jié)構(gòu)概況

廣告牌位于晉城市山西宏圣可建9T26辦公樓（高約86m）樓頂，其結(jié)構(gòu)布置如圖1（左）所示。

廣告牌結(jié)構(gòu)縱向由7榀三角形剛架組成，剛架之間由橫向主梁連接構(gòu)成三維剛架結(jié)構(gòu)。廣告牌結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵因素為地震作用及垂直于廣告牌面的風荷載，由于各榀三角形剛架的結(jié)構(gòu)形式基本相同，具體計算時取典型的一榀三角形剛架進行分析。

三角形剛架主立柱采用100×100×3鍍鋅方管，橫梁采用50×100×3鍍鋅方管，斜拉主梁采用50×100×3鍍鋅方管。斜拉主梁下方三角區(qū)域增加1條次橫梁，1根次立柱和2條斜撐以增加三角形剛架的面內(nèi)剛度，其中次橫梁和次立柱采用50×100×3鍍鋅方管，斜撐采用40×60×2.5鍍鋅方管。具體結(jié)構(gòu)布置如圖1（右）所示。

廣告牌結(jié)構(gòu)采用鍍鋅矩形鋼管，其材料參數(shù)為：彈性模量E=2.07e5MPa；泊松比μ=0.3；質(zhì)量密度ρ=7.85e3kg/m3。

2荷載數(shù)據(jù)

計算分析考慮風荷載、三面翻廣告牌的重量、廣告安裝通道活荷載和結(jié)構(gòu)自重，同時還考慮8度抗震設(shè)防的要求。其中風荷載和三面翻廣告牌的重量均為分布荷載；結(jié)構(gòu)自重和地震作用作為慣性力，以加速度的方式施加；廣告安裝通道沿廣告牌平面布置，方向與三角形剛架相垂直，故廣告安裝通道活荷載按集中荷載計算[1][2][3]。

2.1風荷載

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》風荷載計算章節(jié)未說明晉城50年一遇基本風壓值，但給出相鄰地區(qū)長治縣基本風壓值0.5kN/m2和陽城基本風壓值0.45kN/m2，本報告將晉城50年一遇基本風壓值取為0.5kN/m2。

樓頂廣告牌的風荷載標準值應(yīng)按下式計算，并且不應(yīng)小于1.00kN/m2：

wk=βgzμsμzw0

其中βgz為陣風系數(shù)，μs為風荷載體型系數(shù)，μz風壓高度變化系數(shù)，w0為基本風壓，上述各參數(shù)均按GB50009-2003規(guī)定取值?？山?T26辦公樓位于晉城市郊，周圍地理環(huán)境為田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏，故取B類地區(qū)。風荷載體型系數(shù)根據(jù)規(guī)范取1.2。因此，βgz取值1.52，μs取值1.3，μz取值2.02。

風荷載為均布荷載，本文取B類地區(qū)86m和93m高處風荷載標準值的平均值，即Wk=1.996kN/m2。

風荷載組合系數(shù)取值1.4，故風荷載設(shè)計值為w=1.4×wk=2.794kN/m2。

每一跨廣告牌的分布荷載平均分配給兩側(cè)三角形剛架承受，故一榀三角形剛架所承受的風荷載設(shè)計值為11.176N/mm，沿剛架立柱線性分布，作用方向垂直立柱軸線。

2.2地震加速度

按照抗震設(shè)防烈度為8度的設(shè)計要求，最大水平地震影響系數(shù)αmax=0.16；

最大水平地震加速度為αmx=1.5696e3mm/s2；

考慮地震作用的荷載組合系數(shù)和分項系數(shù)，地震最大水平加速度αx=3.25×αmx=5.1012e3mm/s2。

根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，最大垂直地震加速度αmy=0.65×αx=3.316e3mm/s2。

重力加速度g=9810mm/s2。

地震最大垂直加速度αy=αmy+g=13.126e3mm/s2。

2.3三面翻廣告牌重量

三面翻廣告牌背部框架上下橫梁采用100×100×3鍍鋅方管，中間5道橫梁采用40×60×2.5鍍鋅方管。每跨三角形剛架中間有1個50×100×3鍍鋅方管次立柱，長度為5m。

每一跨廣告牌的分布荷載平均分配給兩側(cè)三角形剛架承受，故一榀三角形剛架所承受的廣告牌重量為0.29kN/m，沿剛架立柱線性分布，作用方向平行立柱軸線。

3有限元分析

3.1單元類型

Beam188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。Beam188是三維線性（2節(jié)點）或者二次梁單元，非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動以及大應(yīng)變等非線性問題。

Beam188是基于一階剪切變形理論，也就是鐵木辛哥梁理論，其橫向剪切應(yīng)變在橫截面是常量，也就是說變形后橫截面保持平面不發(fā)生扭曲，即假定剪應(yīng)力和剪應(yīng)變在截面上是均勻分布的，因此剪切應(yīng)變能與橫向剪力成線性關(guān)系[4]。

3.2有限元模型（圖2）

3.3有限元分析

考慮到三角形剛架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對其進行有限元分析考慮了四種工況，即：①恒載+活載；②恒載+活載+風荷載；③恒載+活載+地震作用；④恒載+活載+風荷載+地震作用。

分析項目為結(jié)構(gòu)最大變形和最大應(yīng)力，其有限元計算分析云圖如圖3所示。

結(jié)構(gòu)安全標準從兩個方面來考慮，一個是強度，另一個是最大變形。結(jié)構(gòu)安全強度一般以材料的屈服強度為參考，本三角形剛架結(jié)構(gòu)采用普通標準方管型鋼，其屈服強度為235MPa。結(jié)構(gòu)變形校核參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表A.1.1受彎構(gòu)件撓度容許值，三角形剛架結(jié)構(gòu)的立柱類似懸臂梁，長6.6m，按規(guī)范要求取計算長度13.2m，變形撓度允許值為33mm，底部橫梁長5.8m，變形撓度允許值為29mm。以上述四種工況下結(jié)構(gòu)的有限元分析，可得到下列結(jié)果[1][3][5]：

①僅考慮恒載和活載情況下，X軸向最大變形為1.636mm，Y軸向最大變形為1.948mm，最大應(yīng)力為13.605MPa，都滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

②考慮恒載、活載和風荷載情況下，X軸向最大變形為61.317mm，Y軸向最大變形為69.742mm，最大應(yīng)力為483.011MPa，都不滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。

③考慮恒載、活載和地震作用情況下，X軸向最大變形為1.358mm，Y軸向最大變形為1.637mm，最大應(yīng)力為12.689MPa，都滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

④在結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下，考慮恒載、活載、風荷載和地震作用的共同作用，三角形剛架X軸向最大變形為61.028mm，Y軸向最大變形為69.432mm，最大應(yīng)力為482.025MPa，都不滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。

⑤對比四種工況下結(jié)構(gòu)的力學(xué)反應(yīng)可以看出，風荷載對結(jié)構(gòu)的影響最為關(guān)鍵，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計重點關(guān)注的地震作用對本結(jié)構(gòu)的影響有限，不對結(jié)構(gòu)安全造成威脅。

4結(jié)論

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)安全校核標準以及有限元分析結(jié)果，山西宏圣可建9T26辦公樓樓頂三面翻廣告牌的結(jié)構(gòu)存在安全隱患。鑒于風荷載是影響本三角形剛架結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素，要提高整個廣告牌結(jié)構(gòu)體系的安全，必然要減少每一榀三角形剛架所承受的風荷載，在當前結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上可考慮增加三角形剛架數(shù)量以減輕每一榀三角形剛架所受風荷載。經(jīng)測算，每間距2m以內(nèi)設(shè)置一榀三角形剛架，在保證施工質(zhì)量的前提下，可以滿足結(jié)構(gòu)計算的安全要求。

參考文獻：

[1]魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)[M].第二版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.

[2]GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]徐鶴山.ANSYS建筑鋼結(jié)構(gòu)工程實例分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：

胡文亮（1979-），男，河南焦作人，河南理工大學(xué)講師，碩士，研究方向：土木工程。