某體育場(chǎng)大跨拱形雨蓬加固改造設(shè)計(jì)與分析

徐旭鋒, 王正剛, 肖志斌, 沈 金

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028)

0 引言

為了滿足人們對(duì)于大跨度建筑的需求,拱結(jié)構(gòu)因其受力合理,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工方便等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用［1］。鋼管拱桁架是一種常用的拱結(jié)構(gòu)形式,是鋼管通過(guò)相貫節(jié)點(diǎn)而形成。其受力特性主要是以受壓和受彎為主,而其表現(xiàn)出的穩(wěn)定性問(wèn)題較為復(fù)雜,是拱形鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)［2］。大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載較為敏感,合理考慮風(fēng)荷載效應(yīng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)［3］和《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 249—2011)［4］對(duì)大跨度拱結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載的取值參考較少,因此本工程進(jìn)行了數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn),并為類似抗風(fēng)的工程設(shè)計(jì)提出了建議。此外,本文主要從結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算、位移變形、穩(wěn)定性分析、抗連續(xù)倒塌性能分析、支座位移分析、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析等方面對(duì)某大跨拱形雨蓬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究。

1 工程概況

本項(xiàng)目為合肥一中體育場(chǎng),位于安徽省合肥市湖濱新區(qū),原體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)雨蓬腐蝕嚴(yán)重,存在一定安全隱患,因此對(duì)舊雨蓬進(jìn)行拆除,并在原看臺(tái)上新建拱形雨蓬,建筑效果圖見(jiàn)圖1。該鋼結(jié)構(gòu)雨蓬長(zhǎng)159.6m,寬18m,高19.5m。

圖1 雨蓬建筑效果圖

本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,安全等級(jí)為一級(jí)。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類),抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類,特征周期0.35s。此結(jié)構(gòu)為大跨輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu),對(duì)風(fēng)荷載和雪荷載敏感,因此取100年一遇風(fēng)壓0.4kN/m2和雪壓0.70kN/m2。鋼結(jié)構(gòu)合攏初始溫度區(qū)間為15～25℃,考慮合肥市的極端氣溫,因此溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值取升溫35℃,降溫-45℃。

2 鋼雨蓬結(jié)構(gòu)體系及抗震性能化目標(biāo)

2.1 鋼雨蓬結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑方案,本雨蓬結(jié)構(gòu)可以分為主拱結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)和縱向附加結(jié)構(gòu),如圖2所示。主拱結(jié)構(gòu)由兩榀鋼管拱桁架、橫向支撐和斜撐組成,橫向支撐包括5榀立體桁架、4榀平面桁架和2榀空間桁架,以滿足看臺(tái)雨蓬的承載力和變形要求。次結(jié)構(gòu)由一根主桿和若干撐桿組成,其與主拱結(jié)構(gòu)緊密連接,共同受力。縱向附加結(jié)構(gòu)為兩段三角形截面立體桁架。次結(jié)構(gòu)及縱向附加結(jié)構(gòu)用于滿足看臺(tái)雨蓬的造型要求。主拱結(jié)構(gòu)的跨度為128m,矢高為18m,矢高比為0.14,主拱結(jié)構(gòu)構(gòu)件為管桁架,截面為矩形,截面寬度為2.5m,截面高度為2.8m,兩榀拱中心線間距15.5m。主拱結(jié)構(gòu)立面按合理拱軸線布置,拱底懸鏈線標(biāo)準(zhǔn)方程［5］為:

圖2 結(jié)構(gòu)受力體系圖

y=acosh(x/a)+b

(1)

式中:a為縮放系數(shù);b為豎向位移。

代入本工程,可求得a=-137.2m;b=152.4m。

2.2 抗震性能化目標(biāo)

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)﹝2015﹞67號(hào))［6］規(guī)定,本項(xiàng)目為跨度超限結(jié)構(gòu)。參考《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)［7］,結(jié)合工程抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素,按B級(jí)抗震性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),即多遇地震下達(dá)到性能水準(zhǔn)1,設(shè)防烈度下達(dá)到性能水準(zhǔn)2,預(yù)估的罕遇地震下達(dá)到性能水準(zhǔn)3。具體性能狀況要求如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

3 數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

3.1 基本理論

隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù)的成熟發(fā)展,采用CFD技術(shù)對(duì)建筑風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為預(yù)測(cè)建筑物風(fēng)效應(yīng)的一種新型有效方法。相比于進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn), 這種技術(shù)可以用較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間獲得相應(yīng)的研究結(jié)果［8］。

本工程基于雷諾平均Navier-Stokes(N-S)方程和亞格子模型的大渦模擬(large eddy simulation, LES)湍流模型方法,采用FLUENT中的速度進(jìn)口邊界條件(velocity-inlet),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值風(fēng)洞模擬。場(chǎng)地采用B類地貌,粗糙度系數(shù)取α=0.15,在0°～360°范圍內(nèi)每隔30°取一個(gè)風(fēng)向角作為一個(gè)工況計(jì)算,總共有12個(gè)計(jì)算工況,如圖3所示。

圖3 計(jì)算風(fēng)向角示意圖

參考文獻(xiàn)[8-10]及相關(guān)數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告［11］,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以得到所需的參數(shù),結(jié)構(gòu)表面某點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)Cpi及體型系數(shù)μsi的計(jì)算如下:

Cpi=(Pi-P∞)/(0.5ρV∞2)

(2)

μsi=Cpiμzr/μzi

(3)

式中:Pi為測(cè)點(diǎn)i的凈風(fēng)壓值;P∞為參考點(diǎn)靜壓力值;ρ為空氣密度;V∞為參考點(diǎn)的風(fēng)速;μzr為試驗(yàn)時(shí)參考風(fēng)速點(diǎn)的高度;μzi為測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

各分塊體型系數(shù)可按式(4)進(jìn)行計(jì)算:

(4)

根據(jù)工程實(shí)際,結(jié)合荷載風(fēng)振系數(shù)(式(5))和位移風(fēng)振系數(shù)(式(6)),采用有限元時(shí)程分析得到的加速度均方根計(jì)算結(jié)構(gòu)的最大慣性力,并以經(jīng)折減的脈動(dòng)風(fēng)壓均方根來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的最大背景風(fēng)振力,一致風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,如式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

3.2 體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)

每個(gè)分塊都包含有多個(gè)風(fēng)壓探測(cè)點(diǎn),每個(gè)風(fēng)壓探測(cè)點(diǎn)都可以求出一個(gè)相應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)和體型系數(shù),將每個(gè)分塊中的各個(gè)探測(cè)點(diǎn)求得的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行面積加權(quán)平均值計(jì)算,作為該分塊的體型系數(shù),從而保證分塊體型系數(shù)結(jié)果的合理性?？紤]到此結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱,因此僅列出0°、30°、60°、90°、300°和330°風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)體型系數(shù)和一致風(fēng)振系數(shù),見(jiàn)圖4,其中括號(hào)內(nèi)為一致風(fēng)振系數(shù)。

圖4 各風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)體型系數(shù)和一致風(fēng)振系數(shù)

3.3 結(jié)果對(duì)比

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)給出了四面開(kāi)敞式雙坡屋面的體型系數(shù),如圖5(a)所示。文獻(xiàn)[8]給出了開(kāi)敞式單跨拱形屋面體型系數(shù),并按線性內(nèi)插得到矢高比為0.14時(shí)的屋面體型系數(shù),如圖5(b)所示。

圖5 文獻(xiàn)相關(guān)體型系數(shù)圖

結(jié)合建筑物立面以及數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,風(fēng)向角對(duì)結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)均有較大的影響。在0°風(fēng)向角下,體型系數(shù)數(shù)值變化規(guī)律與開(kāi)敞式單跨拱形屋面體型系數(shù)相似,在90°風(fēng)向角下,體型系數(shù)數(shù)值變化規(guī)律與開(kāi)敞式雙坡屋面體型系數(shù)相似。但是考慮到此結(jié)構(gòu)的橫向跨度較小,且中間有凸起,因此數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)得出的體型系數(shù)較小。對(duì)比圖4和圖5,可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)得出的體型系數(shù)變化規(guī)律和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)及文獻(xiàn)[8]基本一致,但數(shù)值有較大差異。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需對(duì)多種風(fēng)荷載工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),且本結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載敏感,風(fēng)壓時(shí)正時(shí)負(fù),應(yīng)考慮體型系數(shù)變號(hào)的可能情況。

《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (JGJ/T 249—2011)中對(duì)于中小跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)可采用平均風(fēng)荷載乘以風(fēng)振系數(shù)的方法近似考慮結(jié)構(gòu)的風(fēng)動(dòng)力效應(yīng),風(fēng)振系數(shù)參考取值為1.2～1.8。由圖4可知,各風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)一致風(fēng)振系數(shù)基本都在這個(gè)范圍內(nèi),只有0°風(fēng)向角下局部有出現(xiàn)2.0的風(fēng)振系數(shù)。為結(jié)構(gòu)安全考慮,本結(jié)構(gòu)整體風(fēng)振系數(shù)取1.8。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型

上部結(jié)構(gòu)采用3D3S和MIDAS Gen軟件進(jìn)行整體分析,圖6為上部結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型。主要構(gòu)件尺寸見(jiàn)表2,主要計(jì)算參數(shù)和模型假定選取如下:1)阻尼比為0.02;2)考慮豎向地震作用,采用振型分解反應(yīng)譜(CQC)法對(duì)整體模型進(jìn)行計(jì)算;3)弦桿之間采用剛接連接,其余桿件連接采用鉸接和剛接節(jié)點(diǎn)雙控計(jì)算;4)主拱支座采用鉸接,水平X向、Y向和豎直Z向?yàn)閯傂约s束;5)縱向附加桁架支座采用鉸接,水平X向約束釋放,水平Y(jié)向和豎直Z向?yàn)閯傂约s束;6)采用質(zhì)量和剛度均退化為零的面單元,施加均布附加恒、活(雪)、風(fēng)荷載。

表2 主要構(gòu)件尺寸/mm

圖6 三維計(jì)算模型

4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

采用3D3S和MIDAS Gen兩種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行對(duì)比分析,兩種模型的前五十階振型周期與質(zhì)量參與系數(shù)都非常接近,尤其是結(jié)構(gòu)的幾個(gè)主要振型模態(tài)表現(xiàn)出了一致性。其中,第1階振型周期為1.03s,以Y向平動(dòng)為主;第2階振型周期為0.76s,以X向平動(dòng)為主;第3階振型周期為0.67s,以XY向扭轉(zhuǎn)為主;第4階振型周期為0.46s,以Z向平動(dòng)為主,如圖7所示。

圖7 整體模型前四階振型

4.3 結(jié)構(gòu)承載力分析

對(duì)結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行以下荷載組合:1)非地震工況荷載組合(風(fēng)壓為主:1.3恒載+1.05活載+1.5風(fēng)荷載+0.9溫度荷載;風(fēng)吸為主:0.9恒載+1.5風(fēng)荷載+0.9溫度荷載)。2)地震組合(水平地震為主:1.3恒載+0.65活載+0.28風(fēng)荷載+0.5豎向地震+1.4水平地震作用;豎向地震為主:1.3恒載+0.65活載+0.28風(fēng)荷載+1.4豎向地震+0.5水平地震作用)。

非地震工況荷載組合下桿件穩(wěn)定應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖可得,非地震工況荷載組合下,對(duì)于關(guān)鍵桿件的穩(wěn)定應(yīng)力比最大值為0.79,對(duì)于一般桿件的穩(wěn)定應(yīng)力比最大值為0.83。

圖8 非地震工況荷載組合下桿件穩(wěn)定應(yīng)力比分布圖

4.4 結(jié)構(gòu)位移分析

圖9(a)為結(jié)構(gòu)在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0恒載+1.0活載)下的變形云圖,由圖可得,拱頂最大豎向變形為65mm,小于L/400=320mm (L為拱桁架結(jié)構(gòu)的跨度,L=128 000mm),滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 50017—2017)［12］相應(yīng)要求。在橫向方向上,相對(duì)豎向變形值為66-65=1mm,小于L′/400=39mm (L′為兩榀拱桁架結(jié)構(gòu)的間距,L′=15 500mm),滿足規(guī)范要求。同時(shí),根據(jù)分析結(jié)果,在1.0活載作用下,結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為37mm,滿足規(guī)范L/500的要求。

圖9 結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下的豎向變形/mm

圖9(b)為結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載組合(0°風(fēng)向角下的1.0風(fēng)荷載)下的變形云圖,由圖可得,結(jié)構(gòu)最大豎向變形值約為61mm,滿足規(guī)范L/500的要求。圖9(c)為結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載組合(90°風(fēng)向角下的1.0風(fēng)壓荷載)下的變形云圖,由圖可得,結(jié)構(gòu)最大豎向變形值約為49mm,滿足規(guī)范L/500的要求。圖9(d)為結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載組合(90°風(fēng)向角下的1.0風(fēng)吸荷載)下的變形云圖,由圖可得,結(jié)構(gòu)最大豎向變形值約為46mm,滿足規(guī)范L/500的要求。

4.5 小震彈性時(shí)程分析

小震彈性時(shí)程分析計(jì)算采用MIDAS Gen軟件。地震時(shí)程采用兩組天然波(TH1、TH2)和一組人工波(RH1),按主向、次向、豎向加速度1∶0.85∶0.65比例輸入,加速度峰值調(diào)整到55gal。地震作用下時(shí)程分析結(jié)果與CQC法結(jié)果的基底剪力對(duì)比如表3所示。由表可得,3組地震波時(shí)程計(jì)算所得的基底剪力平均值不小于CQC法計(jì)算結(jié)果的80%,且不大于CQC法計(jì)算結(jié)果的120%,滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)［13］設(shè)計(jì)要求。該結(jié)構(gòu)在X向的地震響應(yīng)放大系數(shù)為1.16,在Y向的地震響應(yīng)放大系數(shù)為1.20。在計(jì)算地震作用下的結(jié)構(gòu)變形及構(gòu)件承載力時(shí)均需考慮此放大系數(shù)。

表3 時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜結(jié)果基底剪力對(duì)比

主拱結(jié)構(gòu)拱頂節(jié)點(diǎn)在三條地震波作用下的豎向加速度及位移時(shí)程響應(yīng)如圖10所示。由圖可以發(fā)現(xiàn),在TH2地震波作用下,主拱結(jié)構(gòu)拱頂節(jié)點(diǎn)的豎向加速度時(shí)程響應(yīng)峰值為1 142mm/s2,較輸入地震波峰值放大了2.1倍。結(jié)構(gòu)最上方的節(jié)點(diǎn)的豎向位移峰值為8.3mm,對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大。

圖10 三條地震波作用下主拱結(jié)構(gòu)拱頂節(jié)點(diǎn)Z向加速度與位移響應(yīng)

結(jié)合地震響應(yīng)放大系數(shù),在小震組合作用下,絕大部分鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比在0.3以下;中震組合作用下,絕大部分鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比在0.4以下;大震組合作用下,絕大部分鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比在0.5以下。說(shuō)明地震作用對(duì)此結(jié)構(gòu)體系不起控制作用。

4.6 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

使用3D3S軟件進(jìn)行非線性穩(wěn)定性分析時(shí),根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (JGJ 7—2010)［14］,需考慮初始幾何缺陷、幾何非線性及材料非線性,采用von Mises屈服準(zhǔn)則,取鋼材的屈服強(qiáng)度為345N/mm2,不考慮硬化。初始幾何缺陷分布可采用結(jié)構(gòu)的第一階屈曲模態(tài),其缺陷最大計(jì)算值可按主拱跨度的1/300確定［15］。安全系數(shù)K為結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲時(shí)的極限承載力除以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定容許承載力(荷載取標(biāo)準(zhǔn)值),當(dāng)按彈性全過(guò)程分析時(shí),K可取為4.2。

計(jì)算結(jié)果表明,在1.0恒載+1.0活載工況下,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K=12;在1.0恒載+1.0半跨活載工況下,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K=8.8,均滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)要求。

4.7 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (JGJ 99—2015)對(duì)本結(jié)構(gòu)采用拆除構(gòu)件法進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析,拆除后剩余構(gòu)件承載力應(yīng)符合下式要求:

Rd≥βSd

(8)

Sd=ηd(SGk+∑ψqiSQi,k)+ψwSwk

(9)

式中:Sd為剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件效應(yīng)設(shè)計(jì)值;Rd為剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件效應(yīng)設(shè)計(jì)值;β為效應(yīng)折減系數(shù),對(duì)中部水平構(gòu)件取0.67,對(duì)其他構(gòu)件取1.0;ηd為豎向荷載動(dòng)力放大系數(shù),取2.0。

構(gòu)件承載力計(jì)算時(shí),鋼材正截面強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍,斜截面強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值［16］。

選取拱桁架靠?jī)?nèi)側(cè)的一榀中內(nèi)力最大的一根斜腹桿進(jìn)行拆除,拆除位置如圖11(a)所示。圖11(b)為分析結(jié)果,可知剩余結(jié)構(gòu)桿件的最大應(yīng)力比為0.98,表明該結(jié)構(gòu)體系具有較好的承載潛力,滿足結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌要求。

圖11 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析圖

4.8 支座位移分析

考慮到在實(shí)際工程的使用過(guò)程中基礎(chǔ)或者地質(zhì)的變形會(huì)引起支座的位移,本節(jié)強(qiáng)制對(duì)結(jié)構(gòu)一側(cè)的支座施加20mm的水平位移或者10mm的豎向位移,分析了支座位移對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

圖12、13為結(jié)構(gòu)支座強(qiáng)制位移加載示意及變形分析圖。由圖13可得,當(dāng)施加水平位移時(shí),結(jié)構(gòu)主拱頂最大豎向位移值約為29mm;當(dāng)施加豎向位移時(shí),結(jié)構(gòu)拱頂最大水平位移值約為13mm。由計(jì)算分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),施加水平位移時(shí),支座最大豎向力為5kN,最大水平力為24kN,桿件最大軸力為84kN;施加豎向位移時(shí),支座最大豎向力為2kN,最大水平力為1kN,桿件最大軸力為29kN?？傮w而言,少量的支座位移對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響不大。

圖12 結(jié)構(gòu)支座強(qiáng)制位移加載示意圖

圖13 結(jié)構(gòu)支座強(qiáng)制位移后主拱變形圖/mm

4.9 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

在鋼管拱桁架的支座處,四根弦桿最終合并為一處,因此弦桿變折處和支座是本項(xiàng)目中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)采用焊接空心球節(jié)點(diǎn),空心球直徑為700mm,內(nèi)設(shè)加勁板。本項(xiàng)目采用ANSYS進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的計(jì)算分析。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算采用von Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則,采用solid95單元模擬鋼材,鋼材的彈性模量2.06×105N/mm2,泊松比0.3,強(qiáng)化段彈性模量2 060N/mm2,屈服強(qiáng)度345N/mm2。

結(jié)合實(shí)際工程節(jié)點(diǎn)受力情況,將弦桿一端邊界按固定端約束,弦桿另一端施加只允許桿件軸向位移的滑動(dòng)支座,腹桿主要承受軸力作用,因此也施加允許桿件軸向位移的滑動(dòng)支座。在有限元模型中為更方便地約束桿端位移,在劃分網(wǎng)格后,各桿端約束以節(jié)點(diǎn)約束的方式施加在桿端截面所有節(jié)點(diǎn)上。在計(jì)算模型中,桿件長(zhǎng)度太長(zhǎng)將導(dǎo)致桿件彎曲破壞,且劃分單元數(shù)過(guò)多會(huì)降低計(jì)算效率,而桿件長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)使桿件出現(xiàn)明顯的凹凸變形。因此,各桿件長(zhǎng)度取桿件直徑的五倍,并在桿件外端施加軸力和彎矩［17］。

三種關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造(圖14)及其應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖15。上弦桿彎折處節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為290N/mm2,發(fā)生在與腹桿與焊接球連接處;下弦桿彎折處節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為338N/mm2,也發(fā)生在與腹桿與焊接球連接處;支座處節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為316N/mm2,發(fā)生在焊接空心球與支座加勁肋接觸區(qū)域。由計(jì)算分析結(jié)果可知,各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均沒(méi)有超過(guò)鋼材的屈服應(yīng)力345N/mm2,節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度保證結(jié)構(gòu)安全。

圖14 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖15 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力云圖/(N/mm2)

5 結(jié)論

(1)本項(xiàng)目為跨度超限的工程,主要支撐結(jié)構(gòu)采用鋼管拱桁架。結(jié)構(gòu)連接可靠,受力合理,施工方便,經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

(2)通過(guò)數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn),得到了此結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)向角對(duì)這類結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)均有較大的影響。數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)得出的風(fēng)荷載體型系數(shù)變化規(guī)律和規(guī)范及其他文獻(xiàn)基本一致,但數(shù)值有較大差異。因此對(duì)這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需對(duì)風(fēng)荷載分布進(jìn)行專門(mén)的研究和分析,充分考慮風(fēng)荷載的影響因素。

(3)此結(jié)構(gòu)在各工況下的位移滿足規(guī)范要求,桿件應(yīng)力比滿足承載力要求。結(jié)構(gòu)抗震性能化目標(biāo)合理,在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)能保證彈性性能,也說(shuō)明地震作用對(duì)此結(jié)構(gòu)體系不起控制作用。

(4)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析、抗連續(xù)倒塌分析、支座位移分析、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析等專項(xiàng)分析,設(shè)計(jì)了合理的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造加強(qiáng)措施,有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性。