大跨度網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用分析

【摘要】隨著我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，建筑施工新工藝、新材料、新技術(shù)的不斷研發(fā)，對(duì)建筑的空間使用需求越來越高，關(guān)于大跨度網(wǎng)架的應(yīng)用越來越廣泛，已逐漸發(fā)展為衡量一個(gè)國家或地區(qū)建筑科學(xué)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。而由于結(jié)構(gòu)體系的多樣性和空間使用需求的提高，獨(dú)立的簡化模型與邊界條件已經(jīng)不足以滿足設(shè)計(jì)需求，需要結(jié)合大型空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整體協(xié)同分析才能更真實(shí)反映出結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)?；诖耍疚闹饕治隽舜罂缍染W(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)在地震作用下的協(xié)同工作。

【關(guān)鍵詞】大跨度網(wǎng)架；下部支承結(jié)構(gòu)；協(xié)同作用

1、模型的簡化與有限元模型的建立

本文以3x36m大跨度，4x18m大柱距矩形平面組成的某廠房為分析對(duì)象（如圖1）。其中，該廠房網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型設(shè)定為空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)所采用材料為線彈性、各向同性，并且其遵循靜力等效原則，將結(jié)構(gòu)的外荷載集中作用于網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)上。

圖1：某廠房網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡圖

本文通過ANSYS有限元程序作出靜力與反應(yīng)譜分析。其中，網(wǎng)架桿件與下部柱分別為空間桿單元、空間梁柱單元，建立了以下兩種有限元模型。

模型一：柱頭與網(wǎng)架通過鉸接形式實(shí)現(xiàn)連接，而柱底為固定約束，為整體計(jì)算模型。

模型二：對(duì)上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行分別計(jì)算，在進(jìn)行網(wǎng)架計(jì)算時(shí)，不計(jì)入柱的彈簧剛度，計(jì)算以與柱相接處固定鉸支承為主。在進(jìn)行下部支承結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，橫梁剛度納入折算剛度與無窮大兩種情況。

2、吊車荷載參與組合下的比較分析

2.1 網(wǎng)架撓度

經(jīng)計(jì)算結(jié)果得出，模型一與模型二的撓度變化規(guī)律無明顯區(qū)別。從整體上看，模型一相比于模型二，在網(wǎng)架跨度中撓度要高出10%～20%，其形成原因主要源自下部框架柱的彈性變形（見圖2）。

圖2：剖面下弦節(jié)點(diǎn)撓度曲線

2.2 網(wǎng)架桿件的內(nèi)力

在AB、CD跨的上弦桿件內(nèi)力方面，模型一計(jì)算與模型二相比，要低于5%左右，其上弦桿件主要承受壓力。在AB、CD跨的下弦桿件內(nèi)力方面，模型一的計(jì)算結(jié)果相比于模型二，大約高出15%，其桿件主要受拉，并且在邊柱支承部分，出現(xiàn)個(gè)別下弦桿件的軸力變化狀況，表明模型二計(jì)算方式會(huì)形成網(wǎng)架部分下弦桿件的安全隱患。而在斜腹桿、BC跨的上、下弦桿方面，其桿件內(nèi)力在兩種模型計(jì)算中無明顯差別。

2.3 框架柱的側(cè)移

在框架柱方面，通過平面排架（EI= ）、平面排架（ ）與空間整體體系三種方案進(jìn)行計(jì)算比較。其中，以 為框架橫梁的折算慣性矩近似計(jì)算公式，y1、y2為網(wǎng)架在跨中處的上、下弦桿重心線分別至中和軸的距離， 為下部結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖范圍內(nèi)的網(wǎng)架上弦桿； 則為其網(wǎng)架下弦桿。經(jīng)計(jì)算結(jié)果得出，在框架柱水平位移方面，相比于平面計(jì)算模型，空間計(jì)算模型的相應(yīng)位移要更低一些。究其原因，主要為網(wǎng)架與下部柱空間的整體協(xié)同作用，形成的荷載分擔(dān)結(jié)果。而通過平面排架計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算相應(yīng)的柱列承受吊車水平荷載，致使其形成的側(cè)移結(jié)果變大。

3、地震作用下的比較分析

3.1 地震信息

該網(wǎng)架廠區(qū)建于7度地區(qū)，為Ⅲ類場(chǎng)地土，重力荷載代表值為結(jié)構(gòu)50%活載與恒載組合，各振型阻尼比是0.02。在其地震作用分析中，采用反應(yīng)譜法，并按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行網(wǎng)架的豎向地震作用分析以及框架柱的水平地震作用分析。

3.2 網(wǎng)架在豎向地震作用下的撓度

通過對(duì)兩種模型的計(jì)算分析得出，在豎向地震作用下，受框架柱的變形影響，模型二的撓度要低于模型二15%左右，與上文分析中，吊車荷載組合作用下的結(jié)果一致（見圖3）。

圖3：剖面下弦點(diǎn)在豎向地震作用下的撓度曲線

3.3 網(wǎng)架下弦桿在豎向地震作用下的內(nèi)力

在豎向地震作用下，模型一與模型二計(jì)算得出的網(wǎng)架上弦桿與斜腹桿在內(nèi)力上，并沒有出現(xiàn)較明顯的變化。但在下弦桿方面產(chǎn)生影響較大，模型一與模型二相比，要高出10%左右（見圖4）。

圖4：剖面下弦桿的內(nèi)力曲線

因此，在其分析中，必須考慮吊車荷載經(jīng)通過柱對(duì)網(wǎng)架形成的作用，否則會(huì)形成模型二計(jì)算的網(wǎng)架下弦桿件的安全性不足。

3.4 框架柱在水平地震作用下的位移

通過三種不同方案的計(jì)算得出，在水平地震作用下，框架柱的水平位移，以空間整體作用計(jì)算的結(jié)果與平面計(jì)算結(jié)果并無較大區(qū)別。由分析得出，形成此結(jié)果的主要原因?yàn)榈卣鹱饔迷趶S房中的均勻分布造成。

3.5 框架柱在水平地震作用下的彎矩

由三種不同計(jì)算方案得出，在水平地震作用下，相比于平面排架計(jì)算，通過整體計(jì)算的柱子彎矩要低出20%左右，其雖然在幅度上小于吊車荷載組合，但仍能為柱子設(shè)計(jì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4、分析結(jié)果

在大跨度網(wǎng)架廠房設(shè)計(jì)中，通過整體模型計(jì)算在很大程度上降低柱子的彎矩與側(cè)移，有利于柱子設(shè)計(jì)，形成較大的經(jīng)濟(jì)效益。而平面排架模型計(jì)算方式，由于未將空間工作納入計(jì)算中，使柱子設(shè)計(jì)截面擴(kuò)大，進(jìn)而增加了下部支承結(jié)構(gòu)的用鋼量，成本花費(fèi)較高。同時(shí)，避免了由于隔離體系分析造成的網(wǎng)架下弦桿可能受壓失穩(wěn)的不利情況。在大跨度網(wǎng)架廠房設(shè)計(jì)中，為了使網(wǎng)架與柱聯(lián)結(jié)處桿件的應(yīng)力峰值降低，可以在網(wǎng)架支承處沿邊界相應(yīng)位置設(shè)置上弦、下弦交叉水平支撐。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：曾筱濤（1985.09-），男，籍貫：湖北省荊門市，現(xiàn)職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。