新型結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前項(xiàng)目中應(yīng)用的有限元分析研究

董 ?。C(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

新型結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前項(xiàng)目中應(yīng)用的有限元分析研究

董 ?。C(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

目前行業(yè)內(nèi)高架庫(kù)結(jié)構(gòu)形式存在高支模施工難度大、建筑施工周期長(zhǎng)、工程造價(jià)高等諸多問(wèn)題，我們現(xiàn)提出一種目前已在煙草行業(yè)項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛的技術(shù)解決方案即大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系，且采用有限元對(duì)這種結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析得出一些有益的建議。

大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系；有限元分析；線剛度比

1 研究背景

煙草工廠聯(lián)合工房中的高架庫(kù)是生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的重要建筑之一，柱網(wǎng)要求一般為柱列方向6米～9米，跨度方向18m～42m，跨數(shù)為單跨或多跨，建筑高度為單層廠房高度為24m。目前行業(yè)內(nèi)高架庫(kù)結(jié)構(gòu)選型根據(jù)項(xiàng)目工藝要求和建筑造型要求，采用的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，主要有以下幾種：1）普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。采用普通鋼筋混凝土技術(shù)，按建筑造型要求搭建高支模滿堂鋼管腳手架，確保梁板混凝土澆筑后腳手架有足夠的承載能力。綁扎梁板鋼筋，現(xiàn)澆梁、板混凝土，達(dá)到強(qiáng)度后拆除鋼管腳手架。2）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土張拉技術(shù)，也需要搭建高支模滿堂鋼管腳手架，綁扎梁板鋼筋，現(xiàn)澆梁、板混凝土。達(dá)到強(qiáng)度后張拉框架梁，達(dá)到預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度拆除鋼管腳手架。3）普通鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)。采用局部腳手架現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土柱，達(dá)到強(qiáng)度后，吊裝屋面鋼梁，安裝金屬屋面輕鋼彩板。4）普通鋼框架結(jié)構(gòu)。吊裝鋼框架柱、安裝鋼框架梁及金屬屋面輕鋼彩板。

但是這幾種高架庫(kù)結(jié)構(gòu)形式也存在一些不足：1）高支模施工難度大。單層廠房高度為24米，支模高度約22米，屬于高支模體系，梁頂板支撐采用扣件式鋼管腳手架，立桿間距為900mm×900mm，橫桿間距900mm，步距1200mm，為保證高支模平面外整體穩(wěn)定，在廠房的兩端和中部沿廠房高度還要設(shè)置通高的剪刀叉豎向支撐。高支模安裝和拆除存在有較大危險(xiǎn)性。為解決施工期間高支模以上結(jié)構(gòu)的承重問(wèn)題，在鋼管腳手架安裝前應(yīng)完成300mm厚鋼筋混凝土臨時(shí)施工地坪。在行業(yè)的建筑中曾發(fā)生多起由于腳手架拆除不當(dāng)造成腳手架倒塌人員傷亡事故。2）建筑施工周期長(zhǎng)。鋼管腳手架的安裝和拆除以及300mm厚鋼筋混凝土臨時(shí)施工地坪的施工就要多花費(fèi)數(shù)月時(shí)間。3）工程造價(jià)高。高支模僅腳手架租賃費(fèi)用就需要增加每天約2元/m2。4）若采用普通鋼框架結(jié)構(gòu)（鋼框架柱、鋼框架梁、板輕鋼彩），雖然能滿足工藝使用要求，但建筑立面效果和建筑材料都很難和工房建筑協(xié)調(diào)一致，建筑使用壽命上和運(yùn)維方面也要受到折減。

2 大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系

為了解決以上問(wèn)題，結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況和工藝要求，現(xiàn)提出技術(shù)解決方案：大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系?？蚣苤虏咳舾蓪硬捎娩摻罨炷林?，框架柱上部若干層采用鋼骨混凝土柱，框架梁采用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)腹梁。首先施工框架柱，澆筑混凝土至鋼筋混凝土柱與鋼骨混凝土柱交界面處，并在交界面位置預(yù)留固定上部鋼骨用的地腳螺栓，再就位鋼骨、綁扎鋼筋、澆筑上部鋼骨混凝土柱混凝土。接著施工鋼框架梁，吊裝鋼結(jié)構(gòu)梁，并在高空與鋼骨柱用高強(qiáng)螺栓連接實(shí)現(xiàn)剛性連接節(jié)點(diǎn)。鋼筋混凝土屋面可以采用不支模板的壓型鋼板組合樓蓋或鋼筋桁架樓蓋，鋼結(jié)構(gòu)屋面可采用普通輕鋼屋面。圖1為哈爾濱卷煙廠高架庫(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 哈爾濱卷煙廠高架庫(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)圖

采用大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系可以在以下幾個(gè)方面獲得有益效果：1）施工簡(jiǎn)單，減少了高支模施工難度。采用大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系后，柱子施工與普通框架柱一樣，鋼框架梁施工采取普通鋼結(jié)構(gòu)施工的整體吊裝，取消了高支模體系每平方米2噸滿堂紅鋼管腳手架的安裝過(guò)程和拆除過(guò)程，取消了高支模施工方法的專(zhuān)家專(zhuān)題論證。2）簡(jiǎn)化了施工方法，縮短了建筑施工周期。本技術(shù)取消了高支模體系每平方米2噸滿堂紅鋼管腳手架的安裝過(guò)程和拆除過(guò)程之后，節(jié)約工期60～70天，同時(shí)也取消了鋼管腳手架安裝前應(yīng)完成的300mm厚鋼筋混凝土臨時(shí)施工地坪，節(jié)約工期約7天，取消高支模施工方法的專(zhuān)家專(zhuān)題論證，節(jié)約工期約15天。此外，鋼框架梁整體吊裝施工速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于現(xiàn)澆框架梁支模、綁鋼筋籠、澆注混凝土、混凝土養(yǎng)護(hù)的施工速度。3）節(jié)省了建筑施工工期，降低了工程造價(jià)。本技術(shù)省去了高支模腳手架每天約2元/m2租賃費(fèi)、300mm厚鋼筋混凝土臨時(shí)施工地坪的施工費(fèi)和材料費(fèi)、專(zhuān)題論證會(huì)務(wù)費(fèi)以及節(jié)省3個(gè)月工期所帶來(lái)的有效價(jià)值。此外，根據(jù)不同使用要求梁、柱選用不同建筑材料，降低了運(yùn)維方面費(fèi)用。4）降低了施工難度，提高了施工安全度。本技術(shù)集鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)形式為一體，取長(zhǎng)補(bǔ)短，有效提高了施工速度，避免了由于腳手架拆除不當(dāng)造成腳手架倒塌人員傷亡事故發(fā)生。

3 新型結(jié)構(gòu)在當(dāng)前項(xiàng)目中的應(yīng)用

下面結(jié)合以前施工完成的項(xiàng)目舉例來(lái)闡述這種新型的結(jié)構(gòu)體系——大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系的受力特點(diǎn)。

黑龍江煙草工業(yè)有限責(zé)任公司“十一五”哈爾濱卷煙廠易地搬遷技術(shù)改造項(xiàng)目的高架庫(kù)為單層建筑，建筑物長(zhǎng)度為69m，單層層高23m，跨度為27m，具體的結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖2，剖面圖詳見(jiàn)圖3。施工圖設(shè)計(jì)中梁采用H型鋼梁，截面為H1600mm×450mm×25mm×28mm，屋面板為120mm厚混凝土板，柱在基礎(chǔ)頂面至18.450標(biāo)高為截面800mm×1000mm的普通混凝土柱，在18.450～坡屋面板頂標(biāo)高為型鋼混凝土柱，鋼骨為H型鋼，截面為H700mm×450mm×14mm×25mm，鋼骨長(zhǎng)度為4550mm。

圖2 高架庫(kù)平面布置圖

圖3 高架庫(kù)剖面圖

在施工圖設(shè)計(jì)中采用鋼梁與混凝土柱鋼筋的連接方法。為了實(shí)現(xiàn)鋼筋在最上一層混凝土柱內(nèi)插入鋼骨，與鋼梁坡口溶透焊接。具體的施工圖連接大樣詳見(jiàn)圖4。

圖4 高架庫(kù)梁柱連接大樣圖

4 新型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)有限元分析研究

根據(jù)哈爾濱項(xiàng)目高架庫(kù)的新型結(jié)構(gòu)形式，可通過(guò)Midas FEA軟件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元仿真分析，從而明確鋼梁及柱內(nèi)鋼骨的截面尺寸的影響因素，進(jìn)而優(yōu)化用鋼量，節(jié)約工程造價(jià)。

1）建立實(shí)體模型

首先分別建立混凝土柱、型鋼梁、柱內(nèi)鋼骨實(shí)體模型以及柱內(nèi)鋼筋的2D模型，再采用布爾運(yùn)算的并集將型鋼梁與柱內(nèi)鋼骨形成一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體，協(xié)同受力，然后采用布爾運(yùn)算的差集將混凝土柱與鋼梁、鋼骨重合部分挖去，這樣就在劃分網(wǎng)格時(shí)形成一個(gè)在同一節(jié)點(diǎn)相同應(yīng)變的協(xié)同變形的單元網(wǎng)格。

2）建立材料特性

分別建立混凝土、鋼材、鋼筋三種材料特性。混凝土采用彈性本構(gòu)關(guān)系GB(RC)_C30，型鋼和鋼筋采用范梅塞斯模型，分別輸入材料的彈性模量、重量密度、泊松比、初始屈服應(yīng)力等參數(shù)。

3）劃分網(wǎng)格

采用自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格工具分別劃分混凝土柱和型鋼等實(shí)體單元，根據(jù)計(jì)算精度以及計(jì)算時(shí)間需要，可以將單元大小設(shè)置為200，并同時(shí)把前一階段建立的材料特性賦予單元。由于采用的布爾運(yùn)算建立的實(shí)體，劃分網(wǎng)格時(shí)可見(jiàn)在兩種材料接觸處單元?jiǎng)澐质菂f(xié)同的，這樣就可以保證在同一節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變是相同的。接著采用自動(dòng)線網(wǎng)格工具劃分鋼筋單元，Midas FEA可以自動(dòng)將鋼筋與混凝土的變形協(xié)同。圖5、圖6是混凝土柱及型鋼的單元?jiǎng)澐帧?/p>

4）建立邊界條件

可在柱底端建立固結(jié)邊界，約束柱底的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬基礎(chǔ)對(duì)柱的約束。

5）施加荷載

荷載主要有構(gòu)件自重、屋面板傳來(lái)的恒載、活載以及水平和豎向地震作用等。構(gòu)件自重可以在軟件中設(shè)置自動(dòng)加載。原施工圖設(shè)計(jì)中板上恒載為6kN/m2，活載2kN/m2，考慮豎向地震系數(shù)0.25，可計(jì)算得豎向力為0.2162N/mm2。水平地震作用可采用底部剪力法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，加載到柱頭為0.0284N/mm2。

表1 鋼梁應(yīng)力撓度等與梁柱線剛度比值關(guān)系表

圖5 混凝土柱的網(wǎng)格劃分

圖6 型鋼的網(wǎng)格劃分圖

6）結(jié)果分析

首先Midas FEA計(jì)算時(shí)不需要類(lèi)似PKPM中層的概念，柱子的計(jì)算也不需要進(jìn)行計(jì)算長(zhǎng)度的修正，可以真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)中柱子的受力情況。

經(jīng)Midas FEA計(jì)算首先可以對(duì)原施工圖設(shè)計(jì)中的鋼梁高度進(jìn)行優(yōu)化，原設(shè)計(jì)中鋼梁截面為H1600mm×450mm×25mm×28mm，經(jīng)計(jì)算可以在應(yīng)力滿足要求的前提下優(yōu)化到H1300mm×450mm×25mm×28mm?？梢?jiàn)這種大跨度重型屋面（120mm混凝土屋面板）的鋼梁在按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)截面高度可以做到1/20L（L為梁的跨度，1300/27000=1/20.7）左右。

為了更詳細(xì)的分析鋼骨長(zhǎng)度對(duì)鋼梁的影響，優(yōu)化鋼骨的插入長(zhǎng)度，根據(jù)不同的柱內(nèi)鋼骨長(zhǎng)度可以得到不同的鋼梁應(yīng)力及撓度。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1。依據(jù)鋼骨柱的插入長(zhǎng)度與鋼梁截面高度的比值可以計(jì)算出梁柱的線剛度比值。由此可以得出兩者之間的關(guān)系表。

再根據(jù)鋼梁撓度、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力與鋼骨長(zhǎng)度及線剛度的比值的關(guān)系及表1中數(shù)據(jù)可以繪制圖7～圖9。

圖7 鋼梁撓度與梁柱線剛度比關(guān)系圖

圖8 鋼梁主拉應(yīng)力與梁柱線剛度比關(guān)系圖

圖9 鋼梁主壓應(yīng)力與梁柱線剛度比關(guān)系圖

由表1及圖7～圖9可以看出，鋼梁的撓度的絕對(duì)值、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力的絕對(duì)值隨著鋼骨柱的插入深度的減小而增大，且基本均在鋼骨柱插入2倍的梁高時(shí)即梁柱線剛度比i柱/i梁在2倍左右時(shí)較前一級(jí)增大較多，而在插入深度大于2倍以上時(shí)鋼梁的應(yīng)力變形等變化并不大。

由此可見(jiàn)，逐漸的減短鋼骨的插入深度會(huì)引起鋼梁的應(yīng)力變形等向不利方向發(fā)展，會(huì)產(chǎn)生即使優(yōu)化了鋼骨的長(zhǎng)度卻帶來(lái)必須增加鋼梁截面的結(jié)果，這樣也不會(huì)降低鋼材的用量，達(dá)到節(jié)約成本的目的。另一方面在保證鋼骨有一定插入深度后再繼續(xù)增加鋼骨長(zhǎng)度，這時(shí)對(duì)鋼梁的有利影響并不明顯，會(huì)造成鋼骨的浪費(fèi)。

為了達(dá)到一個(gè)合理平衡的狀態(tài)：既滿足受力計(jì)算要求，又節(jié)約鋼材的目標(biāo)，通過(guò)表格及圖形，建議這一合理的臨界點(diǎn)在鋼骨柱=2倍的梁高時(shí)即梁柱線剛度比i柱/i梁在2倍左右。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）大跨度混合結(jié)構(gòu)框架體系是一種經(jīng)濟(jì)有效的新型結(jié)構(gòu)體系。目前已成功應(yīng)用到全國(guó)多個(gè)大型煙廠的高架庫(kù)中，得到了建設(shè)單位、施工單位的一致好評(píng)，并且已經(jīng)成為煙草行業(yè)一致認(rèn)可的新型技術(shù)，得到了極為廣泛的推廣。

2）大跨度重型屋面結(jié)構(gòu)采用鋼梁時(shí)，鋼梁的截面高度可取1/20L（L為梁的跨度），在計(jì)算時(shí)也不用考慮鋼骨的影響，按照普通鋼梁計(jì)算即可。

3）為了實(shí)現(xiàn)鋼梁與混凝土柱的剛接，在柱內(nèi)插入鋼骨的長(zhǎng)度建議依據(jù)梁柱線剛度的比值i柱/i梁=2來(lái)確定。這一結(jié)論可以作為鋼梁在柱內(nèi)的錨固長(zhǎng)度這一構(gòu)造措施實(shí)施，在計(jì)算中不再考慮鋼骨的影響。

Finite element analysis of new structure beam-column joint in current project

There are many problems in the construction of high-shelf structures in the industry,such as high construction scale,long construction period and high project cost．We propose a wide range of technical solutions that are widely used in tobacco industry projects．System,and the use of finite element analysis of this structural beam-column nodes to draw some useful suggestions．

large span mixed structure frame system；finite element analysis；line stiffness ratio

TU277．9

B

1003-8965(2017)03-0130-04