聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架多向風(fēng)荷載作用下力學(xué)性能分析

程 達(dá)

（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601）

聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架多向風(fēng)荷載作用下力學(xué)性能分析

程 達(dá)

（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601）

摘要：聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架在多向風(fēng)荷載作用下的受力情況不同，有必要對(duì)各方向風(fēng)荷載作用下的格構(gòu)式構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，比擬出控制工況用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)分析。使用三維空間有限元模型，定義合理的鋼材本構(gòu)關(guān)系，分析不同風(fēng)向作用下格構(gòu)式構(gòu)架的力學(xué)性能，從而得出格構(gòu)構(gòu)架的柱腳節(jié)點(diǎn)反力和構(gòu)架應(yīng)變，確定滿足工程設(shè)計(jì)需要的計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合；格構(gòu)式構(gòu)架；多向風(fēng)荷載；本構(gòu)關(guān)系；反力；應(yīng)變。

大跨度聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架在國(guó)內(nèi)電力行業(yè)相關(guān)的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中并不常見?？紤]其設(shè)計(jì)、施工等各方面因素的在國(guó)內(nèi)的局限性，少有應(yīng)用。

1　本構(gòu)關(guān)系

通過文獻(xiàn)［1—8］資料整理及相關(guān)工程總結(jié)，在統(tǒng)一強(qiáng)度理論基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)鋼彈塑性本構(gòu)模型，此模型不僅適用于拉壓強(qiáng)度相同的鋼材，而且適用于拉壓強(qiáng)度不同的結(jié)構(gòu)鋼。

1.1鋼材應(yīng)力應(yīng)變理論分析

聯(lián)合式格構(gòu)式構(gòu)架的主要材料為角鋼，為了建立合理的三維空間有限元模型，需要定義鋼材合理的本構(gòu)關(guān)系。鋼材的應(yīng)力應(yīng)變經(jīng)歷彈性階段，彈塑性階段，塑性階段，應(yīng)變強(qiáng)化階段，見圖1。

比例極限σp：直線段的最大應(yīng)力值。其實(shí)嚴(yán)格來說，比σp略高處還有彈性極限，但兩者極其接近所以將σp看成是彈性極限。

圖1　應(yīng)力應(yīng)變模型

屈服應(yīng)力fy：應(yīng)變?chǔ)旁讦襭之后漸漸加大，應(yīng)力應(yīng)變成曲線關(guān)系一直到屈服點(diǎn)，這是彈塑性階段，此后應(yīng)力保持不變而應(yīng)變持續(xù)發(fā)展，形成水平線段即屈服平臺(tái)，這是塑性流動(dòng)階段。應(yīng)力超過σp之后任一點(diǎn)的變形都包括彈性變形和塑性變形兩部分，其中塑性變形在卸載后不再恢復(fù)，也成為參與變形或永久變形。

1.2本構(gòu)模型選取

根據(jù)鋼材應(yīng)力應(yīng)變理論，鋼材應(yīng)力在達(dá)到屈服應(yīng)力fy之前，鋼材接近理想彈性體，fy之后塑性應(yīng)變范圍很大而應(yīng)力保持不變，所以接近理想塑性體。文獻(xiàn)［9］對(duì)塑性設(shè)計(jì)的規(guī)定就是以鋼材是理想彈塑性體的假設(shè)為依據(jù)，忽略了應(yīng)變硬化的有利作用。

鋼材有屈服平臺(tái)并且屈服平臺(tái)末端的應(yīng)變比較大，這就有足夠的塑性變形來保證截面上的應(yīng)力最終都達(dá)到fy，因此一般的強(qiáng)度計(jì)算中不考慮應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力。在拉桿中截面的應(yīng)力按均勻分布計(jì)算即以此為基礎(chǔ)。從而確立本文格構(gòu)式構(gòu)架的鋼材可以定義為理想彈塑性模型進(jìn)行空間有限元模擬計(jì)算分析。

2　聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型定義

2.1荷載定義

通過文獻(xiàn)［9，10］采用50年一遇基本風(fēng)壓，將平交及45°風(fēng)向作用于模型主體結(jié)構(gòu)上，分別對(duì)兩個(gè)平交方向和45°作用方向的作用結(jié)果進(jìn)行比較分析，并根據(jù)設(shè)計(jì)以及實(shí)際工程應(yīng)用的需要，按照構(gòu)架所受的恒荷載、活荷載（導(dǎo)線拉力、導(dǎo)線覆冰荷載等）、地震反應(yīng)譜建立不同荷載工況。

2.2風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

本文重點(diǎn)研究了聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型在不同方向風(fēng)荷載作用下對(duì)的力學(xué)性能，故不同風(fēng)向下風(fēng)荷載體型系數(shù)μs是風(fēng)荷載計(jì)算的重要影響系數(shù)，文獻(xiàn)［11，12］均給出了不同的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs計(jì)算方法。

針對(duì)本文研究的電力工程中的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型，根據(jù)文獻(xiàn)［12］中給出的90°風(fēng)向和對(duì)角風(fēng)向下體型系數(shù)的計(jì)算方法，通過定義系數(shù)：

通過計(jì)算不同格構(gòu)式梁柱的Φ，從而得出聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架不同桿件的風(fēng)荷載體形系數(shù)μs，并代入文獻(xiàn)［12］中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：

式中：z為高度處的風(fēng)振系數(shù)；βz為風(fēng)壓高度變

化系數(shù)；μz為基本風(fēng)壓值；w0通過文獻(xiàn)［11，

12］均可查出。

如前所述，通過文獻(xiàn)［12］給出的風(fēng)荷載體形系數(shù)μy的計(jì)算方法，可以得出本文研究的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型在兩個(gè)平交方向和45°作用方向所需要的可靠的多向風(fēng)荷載輸入數(shù)據(jù)。

2.3結(jié)構(gòu)體系布置

構(gòu)架在各個(gè)方向均受不同的導(dǎo)線拉力作用，在滿足工藝條件下，選擇合理的格構(gòu)柱和橫梁的角鋼規(guī)格，圖2、圖3給出了聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架的單根格構(gòu)柱局部透視圖，構(gòu)架平面圖，三維透視圖。

圖2　單根格構(gòu)柱局部透視圖

圖3　聯(lián)合格構(gòu)構(gòu)架平面布置圖

圖4　聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架三維透視圖

3　計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)計(jì)算結(jié)果，挑選聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架中邊跨、中跨10個(gè)典型受力構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)，在相同的恒荷載及活荷載條件下，分別比較在正交風(fēng)向1（0°風(fēng)向），正交風(fēng)向2（90°風(fēng)向），斜交風(fēng)向3（45°風(fēng)向）三種不同風(fēng)荷載工況作用下，各柱腳節(jié)點(diǎn)及構(gòu)架主材的應(yīng)變性能，找出可用于該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力以及驗(yàn)算結(jié)構(gòu)主材是否滿足不同風(fēng)向作用。

3.1柱腳反力曲線

邊跨及中跨柱腳節(jié)點(diǎn)拉力、壓力分布見圖5—圖8。

圖5　邊跨柱腳節(jié)點(diǎn)拉力分布曲線

圖6　邊跨柱腳節(jié)點(diǎn)壓力分布曲線

通過圖5、圖6，可知邊跨五個(gè)柱腳節(jié)點(diǎn)反力（拉、壓力）由外而內(nèi)呈現(xiàn)拋物線型分布，邊跨中部節(jié)點(diǎn)拉壓反力最大；三種不同工況作用下，45°風(fēng)作用下的柱腳反力最大，該工況為設(shè)計(jì)需考慮的控制工況。

圖7　中跨柱腳節(jié)點(diǎn)拉力分布曲線

圖8　中跨柱腳節(jié)點(diǎn)壓力分布曲線

通過圖7、圖8，可知中跨中部柱腳節(jié)點(diǎn)或靠近中部拉壓反力最大；三種不同工況作用下，45°風(fēng)作用下的柱腳反力最大，該工況為設(shè)計(jì)需考慮的控制工況。由于中跨橫梁及導(dǎo)線布置，使得中跨柱腳反力最大值并未出現(xiàn)在中間格構(gòu)柱柱腳節(jié)點(diǎn)。

3.2 格構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變?cè)茍D

格構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用云圖見圖9—圖11。

圖9　正交風(fēng)向1應(yīng)變?cè)茍D

圖10　正交風(fēng)向2應(yīng)變?cè)茍D

圖11　斜交風(fēng)向應(yīng)變?cè)茍D

通過圖9—圖11應(yīng)變?cè)茍D，不難發(fā)現(xiàn)，在正交風(fēng)向作用下，結(jié)構(gòu)主材的應(yīng)變最大，即正交風(fēng)向作用下的應(yīng)力可以作為驗(yàn)算構(gòu)架主材是否滿足工程需要的依據(jù)；同時(shí)，也應(yīng)考慮斜交風(fēng)向作用下局部節(jié)點(diǎn)及角鋼的驗(yàn)算。

4　結(jié)語

通過計(jì)算結(jié)構(gòu)比較分析，發(fā)現(xiàn)本文提及的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架，在實(shí)際工程中用于基礎(chǔ)計(jì)算的主導(dǎo)風(fēng)向應(yīng)為45°斜交風(fēng)向：

（1）通過格構(gòu)柱柱腳反力曲線，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向在45°工況下，柱腳拉壓力最大；

（2）通過聯(lián)合格構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變?cè)茍D，可知風(fēng)向在0°，90°工況下，聯(lián)合構(gòu)架式構(gòu)架構(gòu)件的應(yīng)變最大。

（3）用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力工況是45°風(fēng)荷載作用，用于格構(gòu)構(gòu)架主材設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力工況是04°，90°作用。

本文分析比較了三個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向作用下的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架的柱腳節(jié)點(diǎn)反力和應(yīng)變，三維空間有限元模型有效的模擬了實(shí)際工程中的構(gòu)架，比較得出可用于計(jì)算及設(shè)計(jì)的控制工況反力和應(yīng)變，彌補(bǔ)了電力工業(yè)領(lǐng)域中聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架在多風(fēng)向作用下計(jì)算分析的欠缺，可以應(yīng)用推廣到類似的工程應(yīng)用中。

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中圖分類號(hào)：TU271·1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913（2015）02-0047-04

* 收稿日期：2013-03-28

作者簡(jiǎn)介：程達(dá)（1982- ），男，碩士研究生，從事電力設(shè)計(jì)工作。

Mechanics Properties Analysis of United Lattice-type Framework Under Multidirectional Wind Load

CHENG Da
（ Anhui Electric Power Design Institute， Hefei 230601， China）

Abstract：under multidirectional wind load， mechanical properties of united laced frame is different . It is necessary to analyze the stress and strain of laced frame under multidirectional wind load， and get analogue result to apply to practical engineering project. This article use 3-D space finite element model， define right constitutive relationship of steel， analysis mechanical properties of laced frame. Thereby， pick out pedestal reaction and frame strain and determine result to satisfy the requirement of project.

Key words：united； laced frame； multidirection wind load； constitutive relationship； reaction； strain.