三種連廊結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算與對(duì)比分析

康朝杰，杜文風(fēng) 河南大學(xué)土木建筑學(xué)院鋼與空間結(jié)構(gòu)研究所，河南 開封 475004

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)都是建筑領(lǐng)域常用的結(jié)構(gòu)型式，都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)［1-3］。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是以混凝土承受壓力、鋼筋承受拉力，能充分合理地利用混凝土和鋼筋這兩種材料的力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)。對(duì)于一般工程結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有合理用材，耐久性好，耐火性好，可模性好，整體性好，易于就地取材等優(yōu)點(diǎn)。但鋼筋混凝土自重偏大，抗裂性差，施工復(fù)雜，工序多，新老混凝土不易形成整體。

鋼結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度，高韌性，抗震性能好，自重輕，施工速度快，易于安裝拆卸，環(huán)保效果好，設(shè)計(jì)靈活、滿足大跨度設(shè)計(jì)需求等優(yōu)點(diǎn)。尤其是自重輕、可拆卸、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所無(wú)法企及的。但鋼結(jié)構(gòu)建筑也有一些不足和缺陷:耐火性差，脆性斷裂。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了分別采用鋼、鋼筋混凝土和鋼—鋼筋混凝土材料的三種方案，并用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算分析，在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求的前提下，重點(diǎn)對(duì)三種方案的最大位移、最大應(yīng)力進(jìn)行了比較，并綜合討論了三種方案在受力性能、施工工藝等方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 工程概況及方案介紹

該連廊位于河南省某地區(qū)兩幢辦公樓之間，全長(zhǎng)33m，總寬6.5m，高7.5m，層數(shù)為2 層，底層層高4.5m，頂層為3m。主體為4 跨、中間有起坡的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)體系。

鋼結(jié)構(gòu)主梁統(tǒng)一采用Q345 矩形管，截面規(guī)格為400 ×600 ×20 ×20mm，次梁采用Q345 矩形管，截面規(guī)格為200 ×300 ×10 ×10mm;除了樹狀柱上部的4 根分叉桿件采用截面規(guī)格為200 ×10mm 的Q345 無(wú)縫圓管外，底層柱均采用截面規(guī)格為300 ×10mm 的Q345 無(wú)縫圓管，頂層柱均采用截面規(guī)格為400 ×600 ×20mm 的Q345 矩形管，單元類型選用壓彎和拉彎構(gòu)件，所有節(jié)點(diǎn)類型均為剛接。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用截面為主梁，次梁采用截面為200 ×300mm的C30 鋼筋混凝土;樹狀柱采用截面規(guī)格為300 ×10mm 的Q345 無(wú)縫圓管，上部4 根分叉桿件采用截面規(guī)格為200 ×10mm 的Q345 無(wú)縫圓管，頂層柱均采用400 ×600mm 的C30 鋼筋混凝土，底層柱均采用截面規(guī)格為300 ×10mm 的Q345 無(wú)縫圓管，單元類型選用壓彎和拉彎構(gòu)件，所有節(jié)點(diǎn)類型均為剛接。

鋼—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用截面為主梁，次梁采用截面為200 ×300mm 的C30 鋼筋混凝土;樹狀柱采用截面規(guī)格為300 × 10mm 的Q345 無(wú)縫圓管，上部桿件采用截面規(guī)格為200 ×10mm 的Q345 無(wú)縫圓管，其余的柱子統(tǒng)一采用400 ×600mm 的C30 鋼筋混凝土，單元類型選用壓彎和拉彎構(gòu)件，所有節(jié)點(diǎn)類型均為剛接。

底層柱采用固定約束，施加在每層節(jié)點(diǎn)上的水平集中荷載為10kN，施加在頂層梁上豎向線荷載為10kN/m，然后對(duì)三種方案進(jìn)行滿應(yīng)力設(shè)計(jì)和靜力分析，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，運(yùn)用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。

2 對(duì)比分析

從三種方案的結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果中，我們可以得知鋼結(jié)構(gòu)的最大位移為0.085744m，依次是鋼—鋼筋混凝土為0.083506m，鋼筋混凝土的位移最小，為0.026251m，與鋼—鋼筋混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的最大位移分別比它們大2.68%和226.63%。三種結(jié)構(gòu)方案的最大位移規(guī)律有，從豎直方向來(lái)看都是從底部向頂層逐漸增大，從水平方向看都是從左側(cè)突出的部分向右側(cè)逐漸增大。鋼結(jié)構(gòu)和鋼—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大位移都發(fā)生在右側(cè)柱頂端，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大位移卻發(fā)生在樹狀分叉節(jié)點(diǎn)處。

從三種方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，我們可以得知鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為339.358MPa，而鋼—鋼筋混凝土的最大應(yīng)力為330.535MPa，鋼筋混凝土的應(yīng)力最小，為143.517MPa，與鋼—鋼筋混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力分別比它們高2.67%和136.46%。三種方案的最大應(yīng)力發(fā)生的位置比較相似，都發(fā)生在樹狀分叉節(jié)點(diǎn)處。

三種結(jié)構(gòu)方案中，無(wú)論是從控制結(jié)構(gòu)位移變形角度，還是從控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面來(lái)分析，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都要比其它兩種結(jié)構(gòu)好，但鋼結(jié)構(gòu)具有施工方便，外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，單從建筑效果方面來(lái)看的話，鋼結(jié)構(gòu)要比鋼筋混凝土和鋼—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理想。而鋼—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屬于中間類型，最大位移和最大應(yīng)力都與鋼結(jié)構(gòu)比較接近。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)從建筑效果方面來(lái)看，鋼筋混凝土形式單一，而鋼—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，處于中間類型，既沒(méi)有鋼結(jié)構(gòu)般靈活，又沒(méi)有鋼筋混凝土優(yōu)良的力學(xué)性能，故不建議采用。(2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較小的位移和應(yīng)力，選為最優(yōu)方案。

［1］孟偉.淺談鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其應(yīng)用［J］.科技前沿，2012(5):7.

［2］王贈(zèng)羽.鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用及發(fā)展［J］.山西建筑，2009，35(34):66-67.

［3］曹錫鋒，單春明，楊春生.淺析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2006(32):85.

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