大跨度四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架動靜力學(xué)性能分析

桑勝偉 馬克儉

摘 要：運(yùn)大跨四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是馬克儉院士基于鋼空腹網(wǎng)架的一種新型的結(jié)構(gòu)體系。這種新型的結(jié)構(gòu)體系將古建形式融于結(jié)構(gòu)理念，由斜上弦、水平向下弦、豎向腹桿構(gòu)成。為了研究這種新型樓蓋的力學(xué)性能，本文對北京市東站某小學(xué)屋面大跨四坡水裝配式剛空腹網(wǎng)架屋面進(jìn)行設(shè)計和研究，對比分析不同加載參數(shù)下結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件響應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)在多種載作用下的整體工作性能及設(shè)計施工性能分析。結(jié)果表明：大跨四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有較好的受力性能，能夠抵抗多種荷載作用，在設(shè)計時應(yīng)對空腹網(wǎng)架跨中，空腹網(wǎng)架與柱連接部位設(shè)計桿件加強(qiáng)，增加截面尺寸，構(gòu)件柱沿X、Y方向抗側(cè)剛度應(yīng)相近，在施工過程中，把控好關(guān)鍵部位節(jié)點施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大跨度;四坡水;裝配式鋼結(jié)構(gòu);力學(xué)性能

中圖分類號：TU312? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0054-03

目前研發(fā)構(gòu)造簡單、成本節(jié)約、技術(shù)先進(jìn)、施工周期短、綜合特性好的裝配式鋼結(jié)構(gòu)是時代發(fā)展的需要[1]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)是指預(yù)制工廠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)基本單元生產(chǎn)，在施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝成形的結(jié)構(gòu)。相比較現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有施工速度快、自重輕巧、抗震性能好、減少水電消耗、降低生產(chǎn)成本，激發(fā)社會經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活力，有利于推動我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為新時代中國發(fā)展輸送工程建設(shè)人員的綿薄之力[2]。馬克儉院士本著“用最少的錢建最好的房子”這一基本理念，先后研發(fā)了鋼筋混凝土空腹網(wǎng)架樓蓋結(jié)構(gòu)[3]，鋼筋混凝土空腹夾層板樓蓋結(jié)構(gòu)[4]，最近又再度創(chuàng)新，提出了集空腹夾層板與空腹網(wǎng)架于一體的民族樣式的大跨四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，基于這種新型結(jié)構(gòu)，本文主要研究其受力性能特點，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件與關(guān)鍵部位的力學(xué)分析。

大跨度四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)正是在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的基礎(chǔ)上，結(jié)合特有建筑風(fēng)格的要求，創(chuàng)新原有鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，形成四坡水結(jié)構(gòu)[5]，這項突破可以說是真正給予工程建筑結(jié)構(gòu)的價值寓以文化的內(nèi)涵。結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新更要依托理論和實踐的支撐。本文主要以實際工程為例，進(jìn)行新結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件響應(yīng)、設(shè)計施工性能分析。

1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計參數(shù)

本建筑工程為北京東站小學(xué)教學(xué)樓，平面尺寸為30m×30m，設(shè)計跨度為30m，設(shè)計使用年限為50年。該教學(xué)樓共五層，其中每層分別設(shè)置若干獨立的教室，衛(wèi)生間，教師辦公室等。結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)取1.1，基本風(fēng)壓按50年一遇為0.45KN/m2 ，地形修正系數(shù)取1，基本雪壓按50年一遇為0.4KN/m2，設(shè)計荷載：恒載：6KN/m2 （包括樓蓋自重），活載均為2KN/m2，屋蓋為非上人。教學(xué)樓所在場地類型為三類，地面粗糙度類別為C類。

大跨度四坡水方形平面鋼空腹網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)采用鋼材為主體承重結(jié)構(gòu)，樓板網(wǎng)格填充采用混凝土樓板。擬采用的材料本構(gòu)關(guān)系模型為雙折線模型，不同材料的參數(shù)按下表對應(yīng)取值。其中，E為材料的彈性模量，f為材料的屈服強(qiáng)度， 為材料的泊松比，為材料的極限應(yīng)變。

2 有限元模型建立

根據(jù)構(gòu)造要求選取樓板尺寸。該建筑結(jié)構(gòu)層凈高要求3.9m。根據(jù)《鋼筋混凝土空腹夾層板樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》第7.0.1條，空腹夾層板的總厚度h可以按照短向跨度的1/25-1/35取用，上肋的薄板厚度為凈跨的1/30取用，并不得小于50mm;上下肋的高度應(yīng)按網(wǎng)格邊長的1/10-1/15取用，肋寬b取1.5-3.5倍的h1，且不小于350mm;剪力鍵的高度與橫截面短邊之比不宜大于1，剪力鍵高度取300mm，寬度取450mm。則空腹板總厚度h取1200mm，現(xiàn)澆薄板的厚度取100mm;網(wǎng)格尺寸采用2500mm×2500mm，空腹夾層板上下肋截面尺寸均采用450mm×300mm[6]。

根據(jù)規(guī)程要求及實際裝配一體化施工方便，降低生產(chǎn)成本，在建立模型時盡可能考慮選取規(guī)格一致的同一類型構(gòu)件，依據(jù)這一思想意識，建立結(jié)構(gòu)有限元模型。大跨方形平面四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)三維有限元模型整體軸側(cè)圖布置如圖1所示，結(jié)構(gòu)二維有限元模型整體側(cè)視圖如圖2所示，結(jié)構(gòu)二維有限元模型俯視圖見圖3所示，結(jié)構(gòu)空腹夾層板布置圖如圖4所示。

分別對大跨度四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)施加水平風(fēng)荷載，豎向的恒載和活載，地震作用，以及溫度效應(yīng)，進(jìn)行分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力最大值，給出大跨度四坡水裝配式鋼空腹網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)選型，構(gòu)件配置，施工作業(yè)以及后期運(yùn)維條件下的建議。

3 結(jié)果分析

3.1? 水平風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)分析

風(fēng)是建筑結(jié)構(gòu)工程中最主要的設(shè)計荷載之一，在風(fēng)荷載作用下不僅順風(fēng)向隨機(jī)產(chǎn)生振動，而且橫風(fēng)向也會隨機(jī)振動[7]。對結(jié)構(gòu)分別施加單向雙向風(fēng)振作用，運(yùn)用有限元軟件分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)。圖5是施加風(fēng)荷載后的風(fēng)壓力示意圖，從受力圖可以看出，二層風(fēng)荷載效應(yīng)值較大，產(chǎn)生的風(fēng)荷載應(yīng)力也應(yīng)較大。圖6是水平風(fēng)向作用下的應(yīng)力分布圖，可以看出，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值為89.42MP，最大壓應(yīng)力值為127.73MP，結(jié)構(gòu)采用Q345級鋼材，其承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)荷載單獨作用下的最大拉壓應(yīng)力值。

3.1.1? 豎向受力構(gòu)件柱的內(nèi)力分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)受到風(fēng)振作用的構(gòu)件柱內(nèi)力分布，整理內(nèi)力在柱腳，柱中以及柱頂?shù)膬?nèi)力分布。可以看出，在柱腳部位，由于風(fēng)振作用產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力偏高，柱腳處拉應(yīng)力最大，柱中拉應(yīng)力處于中間，柱頂最小。從圖7和圖8也可以看出，底層邊柱腳應(yīng)力較底層中柱腳偏小，具體為：在X方向風(fēng)振作用下，柱腳產(chǎn)生的沿Z向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他各方向應(yīng)力，同時滿足從邊柱依次向中柱遞增，中柱最大軸力為1035.146KN。

在Y方向風(fēng)振作用下，柱腳產(chǎn)生的沿X向軸力大于其他各方向應(yīng)力，原因應(yīng)是X方向抗側(cè)剛度大于Y向，致使沿X向力學(xué)響應(yīng)偏大，同時滿足從邊柱依次向中柱遞增，中柱最大軸力為-19.74KN，柱腳產(chǎn)生的沿Y向彎矩大于其他各方向彎矩，原因應(yīng)是風(fēng)振作用下對于柱而言Y方向是主要抗彎方向，致使沿Y向力學(xué)響應(yīng)偏大，同時滿足從邊柱依次向中柱遞增，中柱最大彎矩為-86.66KN。

3.1.2 豎向受力構(gòu)件柱的內(nèi)力分析

結(jié)構(gòu)在豎向受力構(gòu)件處的結(jié)構(gòu)風(fēng)險較大，研究結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件的應(yīng)力響應(yīng)[8]。運(yùn)用MIDAS-gen分析可得，結(jié)構(gòu)在本身自重作用下的豎向支承結(jié)構(gòu)由邊緣依次向內(nèi)呈遞增趨勢，并依次對其余三側(cè)豎向支承構(gòu)件分析，其規(guī)律呈現(xiàn)明顯的協(xié)同一致性。

從圖9和圖10可以看出，在柱腳部位，由于恒載作用產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力偏高，底層邊柱腳應(yīng)力較底層中柱腳偏小，具體為：在恒載作用下，柱腳產(chǎn)生的沿Z向軸力遠(yuǎn)大于其他各方向內(nèi)力，同時滿足從邊柱依次向中柱遞增，中柱最大軸力為1225.82KN。

在活荷載作用下，柱腳產(chǎn)生的沿Z向軸力大于其他各方向內(nèi)力，同時滿足從邊柱依次向中柱遞增，中柱最大軸力為460.75KN，柱腳產(chǎn)生的沿X向彎矩大于其他各方向彎矩，原因是活荷載作用下對于柱而言X方向是主要抗彎方向，致使沿X向力學(xué)響應(yīng)偏大，同時滿足從邊柱依次向中柱遞增，中柱最大彎矩為-91.81KN。

同時結(jié)構(gòu)在活荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng)與恒荷載作用下的響應(yīng)亦呈相似的一致性，在恒荷載和活荷載作用下豎向支承構(gòu)件的豎向力內(nèi)力均大于水平應(yīng)力，主要原因是結(jié)構(gòu)跨度較大，層高較小，結(jié)構(gòu)豎向荷載大于水平荷載。

3.2? 各作用條件下對比分析

從以上分析，可以看出大跨度四坡水裝配式剛空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在外荷載與自重的作用下整體工作性能較好。在X向風(fēng)荷載作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力分布較Y向大，設(shè)計時應(yīng)重點考慮X向風(fēng)荷載響應(yīng)。恒載與活載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)基本呈對稱分布，且中部柱，柱與夾層板交接處應(yīng)力偏大，可以在設(shè)計時注意柱沿XY兩個方向的剛度一致性，并加強(qiáng)薄弱節(jié)點處的設(shè)計考慮，可采用實腹梁連接。

4 結(jié)論

本文基于大跨度四坡水鋼空腹網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)，通過大量的水平、豎向荷載的對比分析，得出以下的結(jié)論供參考：

（1）大跨度四坡水裝配式剛空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)這一新型結(jié)構(gòu)具有較好的靜動力學(xué)性能，受力特點對稱，便于構(gòu)件統(tǒng)一規(guī)格。

（2）結(jié)構(gòu)在恒載與活載作用下，應(yīng)力對稱分布，重點加強(qiáng)中部柱，柱與夾層板交接處施工質(zhì)量監(jiān)控，可在應(yīng)力較大處采取加強(qiáng)措施。

（3）在設(shè)計時，盡可能使結(jié)構(gòu)柱沿XY方向剛度均勻布置，可采用加勁肋，柱與夾層板交接處宜采用空腹梁，并加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)測。

（4）鑒于結(jié)構(gòu)安全儲備較高，可對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化處理，包括研究采用裝修層厚度，研究結(jié)構(gòu)位移分布規(guī)律，對新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用推廣提供理論支撐。

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基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目 50978064 /E080502; 貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助（校研理2016001 ） ; “十二五” 國家科技支撐計劃（ 2011BAJ09B01-01）; 貴州省科技計劃項目：黔科合基礎(chǔ)[2018]038