鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算案例分析研究

毛肖寧

摘要：通過獨立鋼柱三面型廣告牌的設(shè)計與計算案例，研究鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的結(jié)構(gòu)體系與受力狀況，依據(jù)規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)中如何行進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、荷載組合、空間結(jié)構(gòu)計算模型、計算結(jié)果分析以及施工等內(nèi)容。

Abstract： Through the design and calculation case of the independent steel column three-sided billboard， the structure system and the stress condition of the steel structure billboard are studied. According to the requirements of the code， how to carry on the structural design， the load combination， the spatial structure calculation model in the structure， analysis of calculation results and construction etc.

關(guān)鍵詞：空間結(jié)構(gòu)計算;荷載組合;有限元程序;自振周期;變形控制

Key words： spatial structure calculation;load combination;finite element program;natural vibration period;deformation control

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0154-02

1? 工程概況

某鋼結(jié)構(gòu)三面型廣告牌，獨立型鋼柱，高26m，離地面23.7m，水平尺寸為8×18m。該地區(qū)基本風(fēng)壓為w=0.3kN/m2，地震設(shè)防烈度為7度。地基持力層為粉質(zhì)粘土（Qm1+p1），承載力特征值fk=180kPa，壓縮模量ES=5.5～7.8MPa。

2? 設(shè)計方法選用

2.1 鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計

根據(jù)工程項目的使用特點，本案例選用獨立鋼柱三面型廣告牌，結(jié)構(gòu)體系采用空間鋼桁架。鋼立柱截面的選取，應(yīng)考慮其強(qiáng)度、穩(wěn)定性、廣告牌整體尺寸協(xié)調(diào)、美觀等因素?？臻g鋼桁架的主梁采用槽鋼，其他構(gòu)件采用角鋼，結(jié)構(gòu)外形要求平整，便于使用，為減小板面的變形，應(yīng)采取加強(qiáng)骨架，增強(qiáng)面板與主骨架連接。

2.2 荷載的組合與計算

結(jié)合工程概況，本結(jié)構(gòu)體系的荷載主要有：自重、風(fēng)荷載、地震作用;風(fēng)荷載與地震作用分別按（圖1）中的X、Y兩個方向。根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求[1][2]，按（表1）的荷載組合，計算、分析和復(fù)核各種荷載組合情況下鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性。

2.3 風(fēng)荷載的計算

本工程的基本風(fēng)壓為w=0.3kN/m2，地區(qū)類別按B類考慮，重現(xiàn)期取1.1。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[1]，風(fēng)載體型系數(shù)的取法，迎風(fēng)面為1.3，背風(fēng)面為-0.8，總共取2.1的系數(shù)。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[1]，對于基本自振周期T1大于0.25s的工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響。風(fēng)振計算應(yīng)按隨機(jī)振動理論進(jìn)行，結(jié)構(gòu)的自振周期應(yīng)按結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算。本工程采用空間有限元計算，得出了廣告牌振動周期見（表2），可以看出基本自振周期T1=2.05s，遠(yuǎn)大于0.25s，需要考慮風(fēng)振的影響。

3? 空間結(jié)構(gòu)計算與分析

3.1 空間結(jié)構(gòu)計算模型的研究

廣告牌構(gòu)筑物屬于典型的空間結(jié)構(gòu)，需要按照空間結(jié)構(gòu)模型來計算分析與穩(wěn)定性驗算，特別是風(fēng)荷載沿Y方向作用時，由于風(fēng)荷載作用的不對稱，廣告牌的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)很明顯。廣告牌空間結(jié)構(gòu)的主梁可簡化為剛結(jié)或鉸結(jié)在鋼立柱上的懸臂結(jié)構(gòu)，主梁之間由橫梁及斜撐鉸結(jié)形成空間組合桁架。內(nèi)力計算采用有限元程序在計算機(jī)上完成，可以采用梁、柱及桿三種單元型式。

3.2 空間結(jié)構(gòu)抗震計算分析

我們用結(jié)構(gòu)通用有限元程序?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了振型和周期計算，計算得到了鋼結(jié)構(gòu)廣告牌的振動特性，自振周期見表2，第1、2振型見圖2。結(jié)果廣告牌鋼結(jié)構(gòu)是安全的。

3.3 廣告牌變形控制

根據(jù)規(guī)范[2][3]的規(guī)定，我們計算分析了兩種工況的位移，形圖見圖3。從計算結(jié)果得出，第一工況的最大位移為21號節(jié)點（節(jié)點編號見圖1），位移為43mm，滿足規(guī)范要求。第二工況的最大位移為17號節(jié)點，位移為68mm，u/H=1/258<1/200，滿足要求。

4? 結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)連接設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)的下部可根據(jù)自重較大的特點，可采用法蘭盤連接，上部桁架結(jié)構(gòu)桿件受力一般不大，可采用焊縫連接。施工中注意焊縫的飽滿度及高度、螺栓的可靠性、鋼件的防腐處理。

4.2 工程基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)形式可采用獨立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。根據(jù)工程地質(zhì)狀況和荷載情況，通過對基礎(chǔ)反力、抗傾覆和抗滑移的計算，本工程采用一階式獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深3.5m，高0.8m，底面為6.8m×11.2m。能夠滿足設(shè)計要求。

5? 結(jié)論

通過本工程的計算分析與設(shè)計，我們得出以下結(jié)論：

①獨立鋼柱三面型廣告牌屬空間結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)按空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析;②獨立鋼柱三面型廣告牌的自振周期較長，屬典型的柔性高聳構(gòu)筑物，風(fēng)荷載對獨立鋼柱三面型廣告牌的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、變形性起到控制作用，設(shè)計中主要考慮風(fēng)振荷載的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.