全網(wǎng)格筒體裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系靜力性能與數(shù)值分析

吳德雨, 王翰斕, 楊大治, 王靜峰,3, 孫 彤, 劉 用,3

(1.安徽蘇亞建設(shè)安裝有限公司，安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.先進鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)省級協(xié)同創(chuàng)新中心, 安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來我國高度重視環(huán)境保護，加強了混凝土攪拌站在粉塵、噪聲和廢水方面的管控，大力提倡發(fā)展綠色環(huán)保混凝土攪拌站，建設(shè)綠色、低碳、高效、智能的混凝土攪拌站將是未來發(fā)展的必然趨勢[1]。

目前，混凝土攪拌站外封裝僅采用鋼結(jié)構(gòu)支架、檁條和壓型鋼板進行連接，形成簡易的“整站封裝”。由于混凝土攪拌站主樓尺寸較大，使得用于搭設(shè)外部骨架的鋼結(jié)構(gòu)支架截面較大，用鋼量較大，費用較高；因為鋼支架的梁柱間距布置較大，使得一榀框架內(nèi)壓型鋼板的布設(shè)面積較大，造成壓型鋼板抗風壓(風吸)性能較差，容易造成屋面(墻面)整體風揭，受力不夠合理。此外，現(xiàn)有的封裝構(gòu)造無法滿足吊軌、智能設(shè)備、底噪設(shè)備和回收設(shè)備的安裝與放置，不能夠合理運用建筑內(nèi)部空間。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有剛度大、整體性好、自重輕、抗震性能好、結(jié)構(gòu)跨度大、適應(yīng)性強、施工工期短等優(yōu)點[2]，同時網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單元尺寸較小，單位面積的壓型鋼板能將外部荷載更加均勻地傳遞給網(wǎng)架，使得整體結(jié)構(gòu)受力更加均勻合理；網(wǎng)架下部易鋪設(shè)吊軌或吊裝監(jiān)控設(shè)備，能夠滿足相關(guān)的功能需求。因此，將平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行空間組合，形成全網(wǎng)格筒體裝配式鋼結(jié)構(gòu)作為混凝土攪拌站主樓外封裝結(jié)構(gòu),是較為經(jīng)濟合理的新型結(jié)構(gòu)體系。

國內(nèi)對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜動力作用下的受力性能和分析方法做了大量的研究，如董石麟等[3]提出正放正交類的擬夾層板法，用于簡化分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力；張毅剛等[4]、張文福等[5]提出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)豎向地震內(nèi)力的簡化計算方法和確定周邊簡支網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的振動特性的方法；沈祖炎等[6]、陳揚驥等[7]應(yīng)用有限元理論對大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的固有自振頻率及抗震性能進行了研究。現(xiàn)有研究主要集中于平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜動力計算方面，缺乏針對豎向網(wǎng)架的受力性能分析，亟待深入研究。

本文依托工程實例，建立全網(wǎng)格筒體裝配式結(jié)構(gòu)有限元分析模型，對該結(jié)構(gòu)在靜力作用下進行參數(shù)分析，并對不同參數(shù)下全網(wǎng)格筒體鋼結(jié)構(gòu)受力特性進行分析與總結(jié)，為類似工程設(shè)計與應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 全網(wǎng)格筒體裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系

全網(wǎng)格筒體裝配式結(jié)構(gòu)由承受上部結(jié)構(gòu)的混凝土柱與平面網(wǎng)架圍成的網(wǎng)格筒體、連接主體結(jié)構(gòu)的檁條骨架以及外封的壓型鋼板組成，如圖1所示。

圖1 全網(wǎng)格筒體裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)一般采用柱下獨立基礎(chǔ)，混凝土柱與基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆方式進行連接，柱截面尺寸為700 mm×700 mm，柱高為1.2 m。混凝土短柱與網(wǎng)格筒體下部球節(jié)點采用平板壓力支座進行焊接。設(shè)計時假定僅傳遞軸力，不傳遞彎矩。網(wǎng)格筒體由平面網(wǎng)架圍成，網(wǎng)架采用正放四角錐單元，桿件采用圓管形截面，連接節(jié)點采用螺栓球節(jié)點，施工方便，連接性能可靠。外部檁條骨架與網(wǎng)格筒體的螺栓球節(jié)點通過支托進行焊接連接。外封壓型鋼板與檁條骨架通過自攻螺釘進行連接。

結(jié)構(gòu)受力主要由風荷載和屋面活荷載起控制作用，外荷載首先作用于壓型鋼板上，壓型鋼板通過檁條和支托將力傳遞給網(wǎng)格筒體，由桿件和螺栓球?qū)⒘鬟f給平板壓力支座，平板壓力支座將力傳遞給混凝土短柱，最終由混凝土柱將結(jié)構(gòu)所受的外力傳遞給地基，其傳力途徑如圖2所示。

圖2 傳力途徑

2 有限元分析模型

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)格筒體設(shè)計長度為40～60 m，寬度≤30 m，高度為30～35 m，厚度1.2 m，網(wǎng)格尺寸≤2.5 m。選用長度50 m、寬度20 m、高度30 m、厚度1.2 m的網(wǎng)格筒體作為標準計算模型，網(wǎng)格單元采用正放四角錐結(jié)構(gòu)，尺寸為2.5 m×2.5 m×1.2 m，標準計算模型的示意圖如圖3所示。

圖3 標準計算模型

桿件材料采用Q235，屈服強度為235 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。桿件截面形式采用空心圓管，桿件截面尺寸見表1。

表1 桿件截面尺寸

2.2 荷載取值

網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)的外荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、作用于結(jié)構(gòu)上的恒載和活載，荷載取值見表2。根據(jù)靜力等效原則，將網(wǎng)格筒體的外荷載集中于節(jié)點上。計算時基于節(jié)點鉸接的假定，桿件只承受軸力，不考慮桿件彎矩和節(jié)點剛度的影響。

表2 荷載取值

由于風荷載是控制荷載，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[9]第3.2.3條，共生成183種荷載組合，并生成荷載包絡(luò)曲線，計算結(jié)果值均為荷載包絡(luò)值。

2.3 邊界條件

對于支承結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)，考慮支承結(jié)構(gòu)的彈性剛度，用來模擬下部混凝土柱對網(wǎng)格筒體的約束作用[8]。當下部支承結(jié)構(gòu)為獨立柱時，柱子的豎向剛度很大，可以視為固定，其他兩個方向的彈性剛度即為柱的抗側(cè)剛度，令Kz1為柱子的豎向剛度，Kx1、Ky1為柱子的兩個水平方向剛度，那么有：

(1)

(2)

式中：E為獨立柱的彈性模量；Ix、Iy為柱子兩個水平方向上的慣性矩；l為柱子的高度。

通過計算，取標準計算模型X、Y方向的側(cè)向剛度為70 kN/m，Z方向剛度無窮大。

2.4 特征節(jié)點與桿件選取

分析結(jié)構(gòu)在靜力下的內(nèi)力和位移，選取具有代表性的節(jié)點和桿件。在對標準模型進行初步分析后，網(wǎng)格筒體的最大位移一般出現(xiàn)在網(wǎng)架屋蓋的中部；桿件軸力最大值一般出現(xiàn)在各網(wǎng)架屋蓋的中部弦桿及角落處的弦桿。

計算模型與提取位移的節(jié)點和內(nèi)力的桿件如圖4所示，其中圓點和加粗線分別標注節(jié)點和桿件，標注面分別為網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)的三視圖軸側(cè)面。選取節(jié)點均為下弦桿節(jié)點，編號1 ～ 5由外向內(nèi)逐漸增大，分別為節(jié)點組1(代表X向最大位移)、節(jié)點組2(代表Y向最大位移)和節(jié)點組3(代表Z向最大位移)；桿件選取3列下弦桿和1列上弦桿，編號1～5由內(nèi)向外逐漸增大，分別為桿件組1～4。

3 計算結(jié)果分析

3.1 長寬比的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，考慮長寬比L/B在2～3范圍內(nèi)變化對結(jié)構(gòu)靜力的影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)的計算模型見表3。長寬比對結(jié)構(gòu)各向位移的影響如圖5所示，對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響如圖6所示。

表3 長寬比影響下結(jié)構(gòu)計算模型

圖5 長寬比對結(jié)構(gòu)各向位移的影響

圖6 長寬比對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響

由圖5可知，長寬比的變化對結(jié)構(gòu)在X、Z向的位移影響較小，對結(jié)構(gòu)在Y向的位移影響較大。當結(jié)構(gòu)的長寬比為2時，Y向最大位移為139.70 mm；當結(jié)構(gòu)的長寬比為3時，Y向最大位移為166.50 mm，比前者增長了19.18%。說明在相同條件下，長寬比越大，結(jié)構(gòu)位移越大。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7-2010)[10]，通過計算，結(jié)構(gòu)側(cè)向與豎向位移均滿足規(guī)范要求。

由圖6可知，長寬比對結(jié)構(gòu)側(cè)面弦桿和頂部弦桿的軸力影響較小，對結(jié)構(gòu)正面弦桿和四周底部桿件影響較大。對比前三組桿件，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力最大的桿件均出現(xiàn)在網(wǎng)格筒體四周支點處。

3.2 高寬比的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，考慮高寬比H/B在1～2范圍內(nèi)變化對結(jié)構(gòu)靜力的影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)的計算模型見表4。高寬比對結(jié)構(gòu)各向位移的影響如圖7所示，對桿件軸力的影響如圖8所示。

表4 高寬比影響下結(jié)構(gòu)計算模型

圖7 高寬比對結(jié)構(gòu)各向位移的影響

圖8 高寬比對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響

由圖7可知，高寬比對結(jié)構(gòu)各向位移影響均較大。當結(jié)構(gòu)的高寬比為1時，結(jié)構(gòu)在各向的位移最??；當結(jié)構(gòu)的高寬比為2時，結(jié)構(gòu)在各向的位移最大。隨著高寬比的增大，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z向的最大位移分別增大了157.10%、158.96%和47.53%。說明在相同條件下，高寬比越大，結(jié)構(gòu)位移越大。通過計算結(jié)構(gòu)在不同高寬比下的位移限值，發(fā)現(xiàn)當高寬比為2時，結(jié)構(gòu)在Y向和Z向的位移已不滿足規(guī)范限值要求，進一步說明了高寬比對結(jié)構(gòu)的影響比長寬比的影響更大。

由圖8可知，結(jié)構(gòu)所有面上的特征桿件軸力均隨著高寬比的增大而增大，4組典型桿件最大軸力分別增大了159.69%、112.94%、72.95%、166.15%。說明在相同條件下，高寬比越大，結(jié)構(gòu)各典型桿件的軸力越大。

3.3 筒體壁厚的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，考慮筒體壁厚t在0.7～1.6 m范圍內(nèi)變化對結(jié)構(gòu)靜力的影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)的計算模型見表5。筒體壁厚對結(jié)構(gòu)各向位移的影響如圖9所示，對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響如圖10所示。

表5 筒體壁厚影響下結(jié)構(gòu)計算模型

圖9 筒體壁厚對結(jié)構(gòu)各向位移的影響

圖10 筒體壁厚對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響

由圖9可知，隨著筒體壁厚的增大，結(jié)構(gòu)各向的位移逐漸減小，當結(jié)構(gòu)的筒體壁厚為0.7 m時，結(jié)構(gòu)在各向的位移最大；當壁厚比為1.6 m時，結(jié)構(gòu)在各向的位移最小。隨著筒體壁厚的增大，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z向的最大位移分別減小了57.02%、42.20%和24.37%，但當網(wǎng)格筒體壁厚為1 m時， 結(jié)構(gòu)在Z向的最大位移僅為18.26 mm，遠小于其他情況下結(jié)構(gòu)的Z向位移。說明在相同條件下，筒體壁厚越大，結(jié)構(gòu)位移越小，且當筒體壁厚為1 m時，網(wǎng)格筒體頂部的豎向剛度很大。

由圖10可知，結(jié)構(gòu)各面上弦桿件的最大軸力隨著筒體壁厚的增加而減小，底部桿件的最大軸力隨筒體壁厚的變化影響不大。但當筒體壁厚為1 m時，各組桿件最大軸力的變化并不符合上述規(guī)律，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)頂部弦桿和底部桿件的最大軸力比其他條件下桿件軸力小很多，可以進一步說明當筒體壁厚為1 m時，網(wǎng)格筒體的豎向剛度較大。

3.4 網(wǎng)格尺寸的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，考慮網(wǎng)格尺寸在2～3 m范圍內(nèi)變化對結(jié)構(gòu)靜力的影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)的計算模型見表6。 網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)各向位移的影響如圖11所示，對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響如圖12所示。

表6 網(wǎng)格尺寸影響下結(jié)構(gòu)計算模型

圖11 網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)各向位移的影響

圖12 網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響

由圖11可知，結(jié)構(gòu)在Y、Z向的位移隨著網(wǎng)格尺寸的增大而分別減小5.07%和23.15%，說明隨著網(wǎng)格尺寸的增大，結(jié)構(gòu)在Y、Z向的剛度增加。結(jié)構(gòu)在X、Y、Z向的位移最大值分別為63.98 mm、157.61 mm、83.27 mm，通過計算，結(jié)構(gòu)在各向的位移均滿足規(guī)范要求。

由圖12可知，4組典型桿件最大軸力隨著網(wǎng)格尺寸的增大而分別增大了33.27%、41.03%、39.85%、5.03%。以上結(jié)果說明網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)各面弦桿軸力的影響較大，而對四周底部桿件影響較小。

3.5 邊界條件的影響

在設(shè)計時通常將網(wǎng)格筒體與下部混凝土柱分開計算而忽略下部混凝土柱與網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，為了研究邊界條件的合理性，在其他參數(shù)不變的情況下，考慮邊界條件對結(jié)構(gòu)靜力的影響規(guī)律，結(jié)構(gòu)的計算模型見表7。 邊界條件對結(jié)構(gòu)各向位移的影響如圖13所示，對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響如圖14所示。

圖14 邊界條件對結(jié)構(gòu)桿件軸力的影響

表7 邊界條件影響下結(jié)構(gòu)計算模型

由圖13可知，彈性連接邊界條件下結(jié)構(gòu)在X、Y、Z的各向位移分別為11.27 mm、49.09 mm、26.96 mm。當約束條件為鉸接時，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z向的節(jié)點位移分別比彈性連接小5.76%、6.39%和0.29%，且位移值均滿足規(guī)范要求。當約束條件為整體連接時，結(jié)構(gòu)在X、Z向的節(jié)點位移分別比彈性連接大4.25%和4.19%；在Y向節(jié)點位移比彈性連接小1.99%，且位移值同樣滿足限值要求。說明在靜力荷載的作用下，上述三種邊界條件對結(jié)構(gòu)的各向位移影響不大。

圖13 邊界條件對結(jié)構(gòu)各向位移的影響

由圖14可知，彈性連接邊界條件下桿件組1 ～ 4中最大桿件軸力分別為-84.84 kN、-137.81 kN、113.95 kN和-651.81 kN。當約束條件為鉸接時，結(jié)構(gòu)各桿件組中桿件最大軸力分別比彈性連接小8.40%、14.82%、0和6.70%，通過計算各桿件應(yīng)力均小于235 MPa，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017-2017)[11]中對于材料強度的設(shè)計值的要求。當約束條件為整體連接時，桿件組1、2、4中桿件最大軸力分別比彈性連接小15.25%、14.23%、5.58%，桿件組3中桿件最大軸力比彈性連接大5.58%，通過計算桿件組3的最大應(yīng)力僅為89 MPa，滿足規(guī)范要求。由于設(shè)計時采用彈性連接作為網(wǎng)格筒體的約束條件，通過對比后發(fā)現(xiàn)按照彈性連接計算得到的桿件內(nèi)力偏大，設(shè)計時是偏于安全的。

4 結(jié) 論

(1)高寬比對全網(wǎng)格筒體裝配式鋼結(jié)構(gòu)受力和位移的影響遠高于其他參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響，在設(shè)計時應(yīng)控制好結(jié)構(gòu)的高寬比。

(2)長寬比、高寬比、筒體壁厚和網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)桿件的軸力影響均很大，但不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)不同部位的桿件影響不同，在設(shè)計時應(yīng)具體分析。

(3)通過對比3種不同筒體壁厚下結(jié)構(gòu)的受力特性，發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格筒體厚度為1 m時，結(jié)構(gòu)的位移和桿件軸力均較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，受力性能較好。

(4)不同邊界條件對全網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)的位移和受力影響不大，設(shè)計時采用彈性連接作為約束條件計算得到的桿件內(nèi)力偏大，采用該種簡化邊界條件的方法單獨設(shè)計全網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)是安全的。