Sap2000在美標(biāo)吊車梁結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

黃 海 龍

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

國(guó)內(nèi)水電設(shè)計(jì)人員參與國(guó)際工程越來(lái)越多，在國(guó)標(biāo)還未完全走出去的形勢(shì)下，運(yùn)用歐美標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對(duì)國(guó)際咨詢公司審查，是對(duì)走向國(guó)際的水電工程師的基本要求。在進(jìn)行吊車梁結(jié)構(gòu)分析時(shí)，國(guó)內(nèi)一般采用的理正工具箱等難以被國(guó)際咨詢公司接受，而手工計(jì)算或查表法[1]涉及多跨(單跨)結(jié)構(gòu)的影響線分析和內(nèi)力包絡(luò)等，操作不直觀且較為繁瑣。另外已有文獻(xiàn)[2][3]進(jìn)行了基于中外標(biāo)準(zhǔn)吊車梁的分析對(duì)比，但側(cè)重于規(guī)范內(nèi)容的對(duì)比，對(duì)于在Sap2000中的實(shí)現(xiàn)流程涉及不多。

基于此背景，本文結(jié)合老撾南部某在建水電工程，運(yùn)用國(guó)際通用結(jié)構(gòu)分析軟件Sap2000，在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(ACI 318及EM 1110-2-2104等)要求下對(duì)該電站安裝間混凝土吊車梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，詳細(xì)展示Sap2000在吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程及相關(guān)注意事項(xiàng)，以供需要的設(shè)計(jì)人員參考。

1 Sap2000結(jié)構(gòu)分析流程

Sap2000是美國(guó)CSI公司開(kāi)發(fā)的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛。該程序分析功能強(qiáng)大，基本涵蓋工程領(lǐng)域的所有結(jié)構(gòu)分析需求，并提供集成式、可視化的操作界面，易于學(xué)習(xí)和掌握。Sap2000的結(jié)構(gòu)分析流程與常規(guī)結(jié)構(gòu)軟件基本一致，詳見(jiàn)圖1。

2 Sap2000中吊車梁結(jié)構(gòu)分析應(yīng)注意的問(wèn)題

2.1 吊車移動(dòng)荷載施加方法

吊車梁上部吊車在移動(dòng)時(shí)體現(xiàn)為吊車輪壓荷載，結(jié)構(gòu)在移動(dòng)輪壓的作用下，內(nèi)力、位移等響應(yīng)隨荷載位置變化而不同。雖然Sap2000中并沒(méi)有專門針對(duì)吊車荷載的荷載模式，但考慮到吊車移動(dòng)時(shí)的荷載可類似橋梁車輛荷載，故可參考程序中的“橋梁荷載”方式模擬實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)流程如下：

定義車道(定義吊車軌道)→定義車輛(吊車輪壓數(shù)據(jù))→定義車輛類別(一般車輛)→定義橋梁反應(yīng)(輸出選項(xiàng))→定義移動(dòng)荷載分析工況。

2.2 端部(彎矩)釋放

水電站廠房混凝土吊車梁布置形式一般可采用以下兩種：

1)連續(xù)式現(xiàn)澆吊車梁。

在結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)簡(jiǎn)化為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，中間跨的支座處形成節(jié)點(diǎn)，在Sap2000中直接施加鉸接(簡(jiǎn)支)約束，不可進(jìn)行端部釋放。

2)多跨簡(jiǎn)支吊車梁。

多跨簡(jiǎn)支梁在Sap2000中建立模型后，中間支座處應(yīng)進(jìn)行彎矩釋放的操作(見(jiàn)圖3)。在程序中通過(guò)“指定”—“框架”—“釋放/部分固定”來(lái)實(shí)現(xiàn)端部彎矩的釋放。

3 工程實(shí)例應(yīng)用分析

本工程安裝間布置于主廠房左側(cè)，為典型的排架柱結(jié)構(gòu)體系。安裝間尺寸為38.0 m×24.0 m(長(zhǎng)×寬)，排架柱共五跨，柱間距7.4 m。工程采用250 t/50 t級(jí)橋式吊車，吊車梁初擬矩形斷面，尺寸0.8 m×1.4 m(寬×高)。布置方式考慮連續(xù)現(xiàn)澆混凝土吊車梁和預(yù)制簡(jiǎn)支梁兩種方案，如圖4，圖5所示。

橋式吊車基本參數(shù)：額定起重量250 t/50 t，最大輪壓Pmax=410 kN，單側(cè)輪數(shù)各8個(gè)。

3.1 計(jì)算模型

考慮吊車梁的兩種設(shè)計(jì)方案，在Sap2000中通過(guò)新建模型(現(xiàn)有梁模板)，分別建立計(jì)算模型1(如圖6所示)和模型2(如圖7所示)，并賦予梁斷面及材料屬性(采用美標(biāo)5000psi混凝土)。

3.2 計(jì)算荷載

吊車梁上主要荷載為吊車梁自重、軌道(及上部細(xì)石混凝土)自重、吊車豎向輪壓及豎向沖擊力、吊車水平剎車荷載等。其中縱向水平剎車力沿軌道方向由吊車梁傳給排架柱，計(jì)算吊車梁截面時(shí)不考慮。

荷載計(jì)算根據(jù)Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures(ASCE 7-10)執(zhí)行，主要荷載計(jì)算方法與國(guó)內(nèi)基本一致。下面重點(diǎn)對(duì)吊車豎向移動(dòng)荷載的計(jì)算和施加方式加以說(shuō)明。

根據(jù)ASCE 7-10第4.9節(jié)要求，對(duì)于動(dòng)力式有駕駛室操作的吊車，考慮豎向沖擊(振動(dòng))作用時(shí)，最大輪壓應(yīng)放大25%。因此單個(gè)輪最大豎向荷載為：

P=Pmax·(1+25%)=410×1.25=512.5 kN。

豎向移動(dòng)輪壓在Sap2000中的實(shí)現(xiàn)流程如下：

1)定義車道(定義吊車軌道)。

通過(guò)菜單“定義”—“橋梁荷載”—“車道”，將5跨吊車梁框架依次添加為吊車運(yùn)行軌道。其中，中心線偏移定義為吊車荷載的偏移布置(本工程取為0)，車道寬度影響對(duì)吊車荷載可忽略，其余按默認(rèn)設(shè)置。

2)定義車輛(吊車輪壓數(shù)據(jù))。

通過(guò)菜單“定義”—“橋梁荷載”—“車輛”，將單側(cè)8個(gè)輪壓作為輪軸荷載添加至車輛數(shù)據(jù)中，并根據(jù)輪壓分布確定荷載間距，其余按默認(rèn)設(shè)置，設(shè)置界面如圖8所示。

3)定義車輛類別(一般車輛)。

通過(guò)菜單“定義”—“橋梁荷載”—“車輛類別”，選擇上一步定義的車輛“Crane wheels”，比例系數(shù)選為1。

4)定義橋梁反應(yīng)(輸出選項(xiàng))。

通過(guò)菜單“定義”—“橋梁荷載”—“橋梁反應(yīng)”，選擇需要輸出的結(jié)果。

5)定義移動(dòng)荷載分析工況。

通過(guò)菜單“定義”—“荷載工況”，添加新的荷載工況，選擇“Moving load”類型，按默認(rèn)添加車輛荷載。

通過(guò)荷載分析與施加操作，得到吊車梁的結(jié)構(gòu)荷載簡(jiǎn)圖如圖9所示。

3.3 荷載組合

根據(jù)ACI 318-14第5.3節(jié)要求，確定吊車梁計(jì)算工況選用：

U=1.2D+1.6L。

其中，U為需求強(qiáng)度；D為恒荷載；L為活荷載(含吊車荷載)。

4 吊車梁結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)Sap2000運(yùn)行分析，可快速獲得吊車豎向輪壓作用下結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力包絡(luò)圖及變形撓度圖，見(jiàn)圖10～圖12。吊車橫向水平荷載由小車剎車時(shí)引起，作用位置與吊車豎向輪壓一致，結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響線亦相同，故計(jì)算方法與吊車豎向輪壓計(jì)算類似，本文不再敘述。

根據(jù)美標(biāo)ACI318及EM 1110-2-2104相關(guān)要求，參考類似文獻(xiàn)[2]，可對(duì)吊車梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，本文進(jìn)行了模型1與模型2的內(nèi)力、變形與配筋對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型1與模型2的內(nèi)力、變形與配筋結(jié)果對(duì)比

由上述內(nèi)力與配筋成果可知：

1)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)(模型1)的彎矩、撓度及配筋量(除最大剪力外)均小于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)(模型2)，從工程成本上可節(jié)省鋼材約15%。

2)簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)(模型2)因結(jié)構(gòu)內(nèi)力(彎矩)較大，經(jīng)EM 1110-2-2104附錄D方法復(fù)核，初擬吊車梁斷面(800 mm×1 400 mm)已不能滿足要求，需將梁高增至1 500 mm，并提高混凝土標(biāo)號(hào)才可滿足美標(biāo)要求，在一定程度也提高了造價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)工程中廠房吊車梁結(jié)構(gòu)可采用連續(xù)梁或簡(jiǎn)支梁形式。簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)傳力清晰、構(gòu)造簡(jiǎn)單，多采用預(yù)制，而連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力和變形相對(duì)較小，節(jié)省工程投資。本實(shí)例中考慮預(yù)制簡(jiǎn)支梁構(gòu)件較重，現(xiàn)場(chǎng)條件無(wú)法吊運(yùn)安裝，不能實(shí)現(xiàn)提前預(yù)制節(jié)約直線工期的效果，且連續(xù)梁方案總體造價(jià)較低，具有一定經(jīng)濟(jì)效益，故選用多跨現(xiàn)澆連續(xù)吊車梁結(jié)構(gòu)。吊車梁施工完成后順利通過(guò)了荷載試驗(yàn)，運(yùn)行良好。

2)Sap2000中可通過(guò)截面設(shè)計(jì)器自定義梁斷面形式，尤其是工程常用的T型斷面吊車梁。程序能夠方便且快速的完成不同跨數(shù)、斷面、輪跨比等多方案的對(duì)比分析，大大提高工程設(shè)計(jì)人員效率。同時(shí)，Sap2000也適用于鋼結(jié)構(gòu)分析，較好的適用于鋼吊車梁的結(jié)構(gòu)分析。

3)通過(guò)實(shí)例分析，Sap2000在進(jìn)行不同吊車梁結(jié)構(gòu)分析時(shí)具有方便快捷、直觀可靠的優(yōu)勢(shì)，能較好的模擬吊車移動(dòng)荷載并快速獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形等成果，滿足設(shè)計(jì)要求。在國(guó)際水電業(yè)務(wù)進(jìn)一步拓展的形勢(shì)下，推廣使用Sap2000結(jié)構(gòu)分析程序，以其功能強(qiáng)大及國(guó)際通用的特點(diǎn)，可更好地適應(yīng)國(guó)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。

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