型鋼混凝土梁設(shè)計軟件在鐵路站房中的應(yīng)用研究

沈　磊

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢　430063)

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型鋼混凝土梁設(shè)計軟件在鐵路站房中的應(yīng)用研究

沈磊

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢430063)

摘要：根據(jù)現(xiàn)行《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)并結(jié)合新頒布的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，利用C#語言編制了型鋼混凝土梁設(shè)計軟件。相關(guān)工程實例應(yīng)用表明，該軟件可以根據(jù)通用有限元計算軟件Midas Gen的計算結(jié)果，按照相關(guān)規(guī)范要求，對型鋼混凝土梁構(gòu)件進行批量設(shè)計，其被廣泛應(yīng)用在大跨度鐵路站房設(shè)計中，提高了站房工程的設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土梁;大跨度;鐵路站房;通用有限元;MIDAS Gen;批量設(shè)計

1概述

隨著高速鐵路迅猛發(fā)展，鐵路站房結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜多變，其中不乏大跨度站房的出現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求越來越高[1，2]。型鋼混凝土梁是將型鋼埋入鋼筋混凝土梁中的一種組合梁，由型鋼、主筋、箍筋及混凝土組合而成。型鋼混凝土梁具有承載力高、抗震性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在大跨度結(jié)構(gòu)中[3，4]。

目前國內(nèi)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件(如PKPM)，對于型鋼混凝土梁設(shè)計時，只能處理具有典型層的結(jié)構(gòu)形式。而其他通用有限元計算軟件如Midas Gen等，雖可以解決復(fù)雜造型結(jié)構(gòu)的計算分析問題，但在構(gòu)件設(shè)計方面功能不足，不支持型鋼混凝土梁的設(shè)計。

鑒于目前的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合我國現(xiàn)行的鋼骨混凝土設(shè)計規(guī)范[5，6]，根據(jù)Midas Gen有限元計算軟件的內(nèi)力計算結(jié)果，編制了型鋼混凝土梁設(shè)計校核軟件(Src Beam Design Tools)。軟件可以對各類工程中的型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計校核，具有界面友好、交互輸入、批量讀取、批量計算、批量輸出、操作簡便等功能。

2軟件編制流程

型鋼混凝土梁設(shè)計校核軟件包括兩個模塊：Midas模型及內(nèi)力讀取模塊及型鋼混凝土梁設(shè)計模塊。型鋼混凝土梁設(shè)計校核軟件開發(fā)的總流程如圖 1所示，具體解釋如下。

圖1　程序總流程

(1)調(diào)用Midas模型及內(nèi)力讀取模塊，對相關(guān)構(gòu)件的節(jié)點、單元、截面、節(jié)點約束、指定構(gòu)件等信息進行存儲，通過該模塊讀取相關(guān)型鋼混凝土梁構(gòu)件的設(shè)計內(nèi)力，輸出構(gòu)件設(shè)計參數(shù)表格，該模塊的詳細流程如圖2所示。

圖2　Midas模型及內(nèi)力讀取模塊

(2)通過型鋼混凝土梁設(shè)計模塊 ，在上一模塊輸出的構(gòu)件設(shè)計參數(shù)表格中，對相關(guān)構(gòu)件進行批量設(shè)計，并輸出計算書，該模塊的詳細流程如圖3所示。

圖3　型鋼混凝土梁設(shè)計模塊

(3)型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計完畢，程序結(jié)束。

3軟件編制關(guān)鍵技術(shù)

型鋼混凝土梁設(shè)計校核軟件編制過程中，對Midas計算內(nèi)力調(diào)整、型鋼混凝土梁構(gòu)件批量設(shè)計是程序編制的關(guān)鍵及難點。

3.1型鋼混凝土梁設(shè)計內(nèi)力調(diào)整

在Midas Gen軟件中，大跨度復(fù)雜站房結(jié)構(gòu)模型計算完成后，通過菜單[結(jié)果]-[分析表格]-[梁單元]-[內(nèi)力]可以提取模型中梁單元在各工況下的內(nèi)力計算結(jié)果，典型的梁構(gòu)件內(nèi)力輸出如表1所示[7]。

表1　梁單元部分工況下的內(nèi)力

對于型鋼混凝土梁，設(shè)計內(nèi)力采用的目標組合為：彎矩最大|Mmax|及相應(yīng)的剪力V、剪力最大|Vmax|及相應(yīng)的彎矩M。

由于《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)[5]對應(yīng)的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GBJ 11—89)與現(xiàn)行抗震規(guī)范要求不對應(yīng)，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)[8]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[9]要求，對型鋼混凝土梁構(gòu)件的抗震組合內(nèi)力，進行考慮抗震要求的內(nèi)力調(diào)整。

程序編制時，對于滿足抗震需要的“強剪弱彎”要求，參考現(xiàn)行主流設(shè)計軟件PKPM[10]、Midas Building[11，12]的處理方法，直接對水平荷載計算得到的剪力乘以放大系數(shù)，再與豎向荷載計算所得的剪力進行組合。對于不同抗震等級剪力放大系數(shù)的確定，按表2原則確定。

表2　鋼骨混凝土框架梁剪力調(diào)整

注：C1=max(1.1×1.1×超配系數(shù)，1.3)，超配系數(shù)是指在設(shè)計參數(shù)中輸入的實配鋼筋超配系數(shù)。

3.2公式改進

《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)[5]規(guī)定，型鋼混凝土框架梁應(yīng)驗算裂縫寬度及撓度，最大裂縫寬度及撓度值應(yīng)按荷載的短期效應(yīng)組合(相當于標準組合)并考慮長期效應(yīng)組合的影響進行計算。

本文在程序編制過程中，結(jié)合《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ138—2012)(報批稿)[13]及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)[14]，在進行混凝土構(gòu)件裂縫、撓度計算時，按荷載準永久組合(荷載長期作用)并考慮長期作用影響計算。

同時，對于裂縫及撓度的計算公式，參照在《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ138—2012)(報批稿)[13]及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)[14]按下式進行如下改進。

3.3型鋼混凝土梁批量設(shè)計

在進行型鋼混凝土梁批量設(shè)計之前，首先依據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138—2001)[5]有關(guān)型鋼混凝土梁計算原理及方法設(shè)計了單個型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計程序，并與相關(guān)計算例題進行了對比分析及測試，結(jié)果驗證了本設(shè)計軟件的正確性。

單個型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計程序界面如圖4所示。

圖4　型鋼混凝土梁計算程序

單個型鋼混凝土梁程序測試完畢后，將型鋼混凝土梁構(gòu)件設(shè)計模塊集成在總程序中，讀取型鋼混凝土梁柱設(shè)計參數(shù)，利用循環(huán)設(shè)計命令進行批量設(shè)計。

4工程應(yīng)用

4.1模型介紹

某火車站結(jié)構(gòu)承軌層，柱距22 m，大跨度梁采用型鋼混凝土梁。梁、板混凝土等級C40，柱混凝土等級C50，型鋼采用Q345，鋼筋等級縱筋HRB400，箍筋等級HRB400，保護層厚度20 mm。結(jié)構(gòu)抗震等級為一級[15]。

型鋼混凝土梁截面采用1 800 mm×2 600 mm(內(nèi)置型鋼采用H1800×800×30×60)，與型鋼混凝土梁相連的柱采用鋼骨混凝土柱，截面采用25000 mm×2500 mm(內(nèi)置雙向型鋼H1800×900×40×60)。樓面荷載：恒載按25 kN/m2，活載按 30 kN/m2，板厚400 mm。

Midas Gen中的計算模型如圖5所示。

圖5　測試模型

設(shè)計計算時，考慮荷載組合如表3所示。

4.2型鋼混凝土梁測試

利用本文所編型鋼混凝土梁設(shè)計軟件，依次選取相關(guān)選項進行構(gòu)件設(shè)計。限于篇幅，本文僅以眾多型鋼混凝土梁構(gòu)件中的某一根構(gòu)件為例，用以說明所編型鋼混凝土梁設(shè)計軟件的實例應(yīng)用。表4為Midas Gen模型輸出的準永久內(nèi)力表格。

表3　荷載組合

表4　準永久荷載內(nèi)力

對于型鋼混凝土梁設(shè)計時，需要考慮強剪弱彎內(nèi)力調(diào)整。本軟件在模型計算時自動增加考慮剪力放大的內(nèi)力工況，將不普通抗震工況所得的彎矩內(nèi)力及考慮剪力放大的抗震工況所得的剪力匯總于表5。

表5　抗震組合剪力、彎矩

完成型鋼混凝土梁設(shè)計參數(shù)輸出及批量構(gòu)件設(shè)計的計算參數(shù)及計算結(jié)果如表6～表7所示。從設(shè)計結(jié)果來看，對于該大跨度梁，實際配筋由裂縫控制，對于控制配筋，程序以彩色填充表示。

表6　型鋼混凝土梁設(shè)計參數(shù)及結(jié)果(一)

表7　型鋼混凝土梁設(shè)計參數(shù)及結(jié)果(二)

5結(jié)論

軟件編制過程中，通過軟件測試，發(fā)現(xiàn)和解決了軟件的不足之處，也使得軟件更加高效，本次軟件編制得出如下結(jié)論。

(1)本文介紹的軟件編制關(guān)鍵技術(shù)：Midas模型及內(nèi)力讀取模塊中對于Midas Gen文本命令流的識別與讀取、Midas計算內(nèi)力讀取與調(diào)整、型鋼混凝土梁構(gòu)件批量設(shè)計可以為后續(xù)的相關(guān)軟件編制提供借鑒。

(2)通過軟件測試以及工程應(yīng)用，驗證了所編型鋼混凝土梁設(shè)計軟件，可以正確讀取Midas Gen有限元計算軟件的內(nèi)力計算結(jié)果，對鋼混凝土梁構(gòu)件進行批量設(shè)計，明顯提高設(shè)計效率。

(3)由于程序編制所依據(jù)的《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(JGJ138—2001)為2001年頒布，與新版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB20010—2010)及新版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)部分內(nèi)容沖突，軟件編制過程中參照新《混規(guī)》、新《抗規(guī)》及主流設(shè)計軟件PKPM、Midas Building等處理方法，對涉及型鋼混凝土梁內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、部分公式(如鋼骨梁的裂縫、撓度計算等)進行改進，軟件測試表明，改進公式與結(jié)構(gòu)主流設(shè)計軟件一致，滿足工程實際需要。

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Research on Application of Steel Reinforced Concrete Beam Design Software in Railway Station Buildings

SHEN Lei

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Based on Technical Specification for Steel Reinforced Concrete Composite Structure (JGJ138-2001) and some new national standards， steel reinforced concrete beam design software is coded in C# language. The software is used for batch design of steel reinforced concrete beams based on the finite element modeling (FEM) calculation results from Midas Gen， and extensively and effectively employed in the design of large span station buildings.

Key words：Steel reinforced concrete beam; Large span; Railway station buildings; FEM; Midas Gen; Batch design

文章編號：1004-2954(2016)05-0121-04

收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-26

基金項目：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司課題(2012D28)

作者簡介：沈磊(1985—)，男，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，注冊巖土工程師，2010年畢業(yè)于東南大學土木工程學院結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學碩士，E-mail:316789796@qq.com。

中圖分類號：TU248.1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.026