某鋼結構仿古塔設計的關鍵性問題分析

鄭寶磊，宿坤，馬寧

（1.山東建大建筑規(guī)劃設計研究院，濟南250013；2.山東博雅建筑規(guī)劃設計有限公司，濟南250013）

1 引言

磚木為中國古代建造塔式建筑最重要的材料[1]，由于近代材料的發(fā)展，混凝土、鋼結構代替木結構[2]已較為普遍。設計仿古塔時，考慮歷史環(huán)境、風格的同時也要在設計中結合鋼結構材料的特點，利用有限元軟件對工程實例的設計與施工中諸如鞭梢效應、層層梁上起柱復雜節(jié)點、大飛檐等難點進行理論分析，深入研究這些問題對仿古建筑的保護、修復均有積極的價值。

2 工程簡介

鋼結構仿古塔建筑的面積為5 800m2，地下3 層，地上14 層，七明七暗的建造布局，建筑總高度（塔剎頂）93.00m（見圖1 和圖2）。耐久年限：二級；耐火等級：一級；設計使用年限：50a；抗震設防烈度：7 度（0.15g）；地震分組：二組，場地類別：Ⅱ類；體系：鋼框架—支撐結構；基礎：筏板基礎，混凝土強度等級：C35；豎向構件：鋼管混凝土，鋼材：Q345B；樓板：壓型鋼板組合樓板；阻尼比：0.02；周期折減：0.90。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》，選取基本風壓：0.40kN/m2，50a 一遇的基本雪壓為0.30 kN/m2。

圖1 效果圖

圖2 塔剎端部構造

3 關鍵問題分析

3.1 整體分析

采用Midas Gen 分析軟件整體建模，在“恒荷載+活荷載+X、Y向風荷載+X、Y向地震”多種工況作用下，基本周期與估算周期相差不大，振型規(guī)律、側向剛度、變形對稱分布與工程經驗預估也基本一致，前三階振型分類明顯，后三階振型的平動和扭轉交織摻雜，各振型扭轉耦聯(lián)，頂部的端點產生二次振動擺幅呈現(xiàn)出的鞭梢效應尤為明顯，位移比和位移角均較大，需要采取加強頂部剛度及加大支撐截面、頂部彈性支撐的方式予以加強。采用加強措施后重新計算的整體指標均較好地滿足了GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016 年版）和JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》的相關規(guī)定。

3.2 復雜節(jié)點分析

為研究偏心梁柱復雜節(jié)點的受力狀態(tài)及應力儲備，采用ANSYS 有限元分析軟件足尺寸建立模型，選取受力較大的位置（見圖3 陰影處）。節(jié)點之間采用栓焊連接，按照近似剛性考慮，材料、彈性模量等均按照Q345B 選取，根據(jù)考慮圣維南原理，截面選?。汗?jié)點板厚：20mm，加勁板厚：14mm，上柱、下柱：φ600mm×30mm，梁：HM500mm ×300mm，45°方向偏心450mm。模型上下豎向長度取1 000mm，水平向取500mm（見圖4）。

圖3 選取節(jié)點的平面位置

圖4 節(jié)點詳圖

按照Shell181 單元自由式網格劃分法劃分單元和節(jié)點模型如圖5 和圖6 所示。

圖5 節(jié)點模型有限元劃分（一）

圖6 節(jié)點模型有限元劃分（二）

根據(jù)Midas Gen 的計算結果取得的不利工況受力，將力施加到主要構件處，在構件連接和管壁位置處進行力的約束。分析結果如圖7～圖14 所示。

節(jié)點應力在所取模型柱端部呈現(xiàn)比較明顯，梁端變形局部比較明顯，其余位置最大應力265MPa，應變1.12mm，應力和應變均比較小，即使當端部軸力加大到4 000kN 時，應力最大也僅為360MPa，應變9mm，充分說明在有限加大外力的作用下節(jié)點能保證彈性工作狀態(tài)，節(jié)點也較為安全可靠。

圖7 節(jié)點等效變形圖（一）

圖8 節(jié)點等效變形圖（二）

圖9 節(jié)點等效變形圖（三）

圖10 節(jié)點等效變形圖（四）

圖11 節(jié)點等效應力圖（一）

圖12 節(jié)點等效應力圖（二）

圖13 節(jié)點等效應力圖（三）

圖14 節(jié)點等效應力圖（四）

4 結語

通過有限元軟件對整體結構和關鍵節(jié)點分析認為，縱向荷載作用下整體變形較小，由于豎向扭曲導致飛檐位置出現(xiàn)一定較大的位移；在多種工況作用下，整體指標雖滿足，但在頂部呈現(xiàn)鞭梢效應尤為明顯，除前3 振型較為規(guī)則外，其余振型均不真切，呈現(xiàn)交織摻雜的特性；通過對關鍵節(jié)點的分析，梁柱節(jié)點承載力儲備充足，即使有限加大多工況產生的不利外力，該節(jié)點仍保持較好的應力應變模態(tài)，保證了整體結構的安全度。

本工程建成即遭遇汶川地震，地震時整體震動和變形均非常大，頂部震動位移甚至達150mm，但是地震后經檢驗無構件損傷和破壞，垂直度幾乎沒有變，經受住了超大地震的考驗，這一實際驗證與分析的結果基本一致。