箱型鋼平臺(tái)力學(xué)性能數(shù)值分析

徐衛(wèi)敏,何剡江

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231; 2.中國(guó)美術(shù)學(xué)院風(fēng)景建筑設(shè)計(jì)研究院總院, 浙江 杭州 310012)

隨著國(guó)內(nèi)高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的迅速發(fā)展,各種異形結(jié)構(gòu)層出不窮,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。某擬建空中酒店工程中,利用箱型鋼平臺(tái)將下部不規(guī)則布置的格構(gòu)柱群與上部巨型空間桁架進(jìn)行剛性連接。此做法在國(guó)內(nèi)較為罕見,鮮有相應(yīng)的研究成果及可借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。類似的案例僅在塔吊基礎(chǔ)[1],以及高層、超高層建筑的核心筒施工[2]中出現(xiàn),但與本文的鋼平臺(tái)受力及設(shè)計(jì)要求差異較大,不適合作為參考。箱型鋼平臺(tái)處于荷載傳遞路徑上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),對(duì)整體結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向力以及水平力均發(fā)揮著重要的作用。

1 工程概況

本工程研究的箱型鋼平臺(tái)源于一幢擬建的高層空中酒店,該酒店主體位于4組31.3 m高的不規(guī)則布置的格構(gòu)式柱群之上。上部主體為由四層帶支撐的鋼框架組成的“巨型橫梁”,格構(gòu)式柱群與上部“巨型橫梁”之間通過箱型鋼平臺(tái)剛性連接。 鋼平臺(tái)高1.2 m,上下蓋板厚22 mm, 內(nèi)部設(shè)16 mm厚縱橫交錯(cuò)豎隔板。結(jié)構(gòu)整體效果圖見圖1。為提高下蓋板的局部屈曲穩(wěn)定性,下蓋板底面設(shè)置正交布置的短加勁肋?！熬扌蜋M梁”的豎桿支座與鋼平臺(tái)頂面直接焊接,并在鋼平臺(tái)內(nèi)部豎隔板設(shè)加勁肋。

圖1 結(jié)構(gòu)整體效果圖

箱型鋼平臺(tái)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到承上啟下的作用,由于下部柱網(wǎng)不規(guī)則分布且與上部柱網(wǎng)并不對(duì)應(yīng),導(dǎo)致其受力狀態(tài)較為復(fù)雜。

2 數(shù)值分析模型

2.1 分析軟件

為評(píng)價(jià)鋼平臺(tái)在上部荷載作用下的應(yīng)力水平,選用有限元軟件SAP2000 V14對(duì)所有鋼平臺(tái)進(jìn)行了應(yīng)力分析,同時(shí)采用ANSYS 10.0對(duì)鋼平臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)充分析,驗(yàn)證SAP2000的計(jì)算結(jié)果。結(jié)構(gòu)整體模型分解圖見圖2、圖3。由于篇幅限制,本文以鋼平臺(tái)(圖3)的應(yīng)力結(jié)果為例進(jìn)行分析,鋼平臺(tái)布置見圖4。

2.2 有限元模型

在SAP2000整體計(jì)算模型中,為充分考慮鋼平臺(tái)與上下結(jié)構(gòu)之間變形協(xié)調(diào)對(duì)內(nèi)力的影響,在整體模型中真實(shí)反映了鋼平臺(tái)的有限元實(shí)體模型。同時(shí)，為減少計(jì)算量,避免單元過度細(xì)分導(dǎo)致計(jì)算上的不收斂,故對(duì)與鋼平臺(tái)連接的鋼柱進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。其中上部結(jié)構(gòu)的柱子簡(jiǎn)化為桿單元,荷載以集中力的方式作用在鋼平臺(tái)節(jié)點(diǎn)處, 下部圓鋼柱與鋼平臺(tái)連接局部區(qū)段采用多邊形離散的殼單元模擬,其余部位采用桿單元模擬。鋼平臺(tái)模型見圖5～7。

圖2 結(jié)構(gòu)整體模型分解圖

圖3 柱群頂部鋼平臺(tái)布置圖

圖4 鋼平臺(tái)4布置圖

圖5 SAP2000中的有限元模型

圖6 ANSYS中的有限元模型

圖7 ANSYS中有限元模型細(xì)部網(wǎng)格

在ANSYS計(jì)算模型中,單獨(dú)對(duì)鋼平臺(tái)及其相連的鋼柱進(jìn)行重新建模計(jì)算,為避免應(yīng)力集中,所有構(gòu)件均采用殼單元SHELL43進(jìn)行模擬。計(jì)算時(shí),對(duì)上部結(jié)構(gòu)傳至短柱的荷載根據(jù)短柱上的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行離散,以節(jié)點(diǎn)力的方式均勻加載到各節(jié)點(diǎn)上。邊界條件通過對(duì)下部圓管柱的下邊界各節(jié)點(diǎn)施加鉸支座的方式模擬。

在結(jié)構(gòu)的整體分析中,利用兩個(gè)軟件進(jìn)行對(duì)比分析,考慮了水平和豎向地震作用、風(fēng)荷載以及豎向荷載等作用力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,分析了結(jié)構(gòu)的整體性指標(biāo),如周期比、剪重比、層位移比等均符合規(guī)范要求,且兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果基本吻合。鋼平臺(tái)的分析比較中,荷載按1.2D+1.4L的基本組合值考慮。

3 鋼平臺(tái)蓋板及腹板數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 上蓋板計(jì)算結(jié)果

1)SAP2000計(jì)算結(jié)果，見圖8、圖9。

圖8 上蓋板應(yīng)力分布-1

圖9 上蓋板應(yīng)力分布-2

2)ANSYS計(jì)算結(jié)果，見圖10、圖11。

圖10 上蓋板應(yīng)力分布-3

圖11 上蓋板應(yīng)力分布-4

3.2 下蓋板計(jì)算結(jié)果

1)SAP2000計(jì)算結(jié)果，見圖12、圖13。

圖12 下蓋板應(yīng)力分布-1

圖13 下蓋板應(yīng)力分布-2

2)ANSYS計(jì)算結(jié)果，見圖14、圖15。

圖14 下蓋板應(yīng)力分布-3

圖15 下蓋板應(yīng)力分布-4

3.3 腹板計(jì)算結(jié)果

腹板計(jì)算結(jié)果見圖16～20。

圖16 腹板應(yīng)力分布-1

圖17 腹板應(yīng)力分布-2

圖18 腹板應(yīng)力分布-3

圖19 X向主要腹板水平向正應(yīng)力分布

圖20 Y向主要腹板水平向正應(yīng)力分布

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)鋼平臺(tái)的應(yīng)力計(jì)算和分析,結(jié)果如下：

1) 通過對(duì)比ANSYS與SAP2000中計(jì)算的結(jié)果可知,除局部因計(jì)算模型簡(jiǎn)化造成的應(yīng)力集中外,兩個(gè)分析軟件計(jì)算的結(jié)果在總體應(yīng)力水平上基本保持一致,應(yīng)力云圖分布相似,層次分明,符合其受力形態(tài),SAP2000計(jì)算結(jié)果能夠有效地評(píng)價(jià)鋼平臺(tái)受力情況。

2) 鋼平臺(tái)各類板件大部分區(qū)域均處于較低的應(yīng)力水平,一般不超過50 MPa,有比較大的安全儲(chǔ)備,可以分區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

3)上部短柱與鋼蓋板連接處以及圓管柱與蓋板、腹板連接處應(yīng)力較為復(fù)雜,存在一定應(yīng)力集中區(qū)域,但仍處于彈性狀態(tài)。

4)鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案能夠滿足傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載的需要。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)箱型轉(zhuǎn)換平臺(tái)這類受力復(fù)雜的重要部位進(jìn)行多軟件(ANSYS和SAP2000)細(xì)部分析與比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在荷載基本組合的工況下,本工程鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案有合理的承載力富裕和較高的剛度,能滿足結(jié)構(gòu)受力要求,也能保證節(jié)點(diǎn)承載力。在下一階段的研究中,我們將進(jìn)行更多組合工況下的計(jì)算分析,對(duì)鋼平臺(tái)的布置和構(gòu)件截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 劉瑞武, 金虎, 吉紅波,等.塔吊底座與鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換平臺(tái)栓焊混合連接設(shè)計(jì)[J].浙江建筑,2015,32(6): 9-12．

[2] 龔劍, 趙傳凱, 崔維久. 風(fēng)荷載作用下核心筒對(duì)整體鋼平臺(tái)的影響分析[J].施工技術(shù),2015, 44(8): 21-24．