圓鋼管柱L型鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

對(duì)某項(xiàng)目圓鋼管柱L型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后通過有限元專業(yè)軟件SAP2000對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、自振周期及振型、結(jié)構(gòu)位移、鋼構(gòu)件應(yīng)力比等方面對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度和變形分析。由分析的結(jié)果可知：結(jié)構(gòu)的第一振型周期為0.45 s，絕大多數(shù)位置構(gòu)件的應(yīng)力比控制不超過0.7，受力最大位置處應(yīng)力比約為0.754；在恒荷載及活荷載作用下框架梁的最大豎向位移為19.6 mm，約為跨度的1/612，小于規(guī)范容許值1/400。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和撓度均滿足要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

L型鋼框架結(jié)構(gòu)； 數(shù)值模擬； 圓鋼管柱； 設(shè)計(jì)與分析

TU392.3A

［定稿日期］2023-03-23

［基金項(xiàng)目］黔東南州科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：黔東南科合J字［2022］61號(hào)）、貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：黔科合基礎(chǔ)［2019］1288號(hào)）、貴州省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：黔教科［2022］372號(hào)）

［作者簡介］邵建華（1979—），男，博士，教授，從事鋼結(jié)構(gòu)理論研究工作。

［通信作者］王振田（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，從事土木工程施工工作。

0 引言

鋼框架結(jié)構(gòu)是以鋼材為主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，是重要的建筑類型。鋼材具有幾點(diǎn)特點(diǎn)：①鋼材質(zhì)量輕，方便吊裝施工；②鋼材可塑性強(qiáng)，可以適應(yīng)多種不同環(huán)境而靈活組裝；③鋼材強(qiáng)度高，具有良好的抗震性能；④鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工過程中安裝方便，施工效率高。因此，鋼框架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于在多層民用建筑［1-2］。

1 項(xiàng)目背景

本工程為圓鋼管柱L型鋼框架結(jié)構(gòu)，此設(shè)計(jì)不僅要滿足結(jié)構(gòu)剛度高、整體性強(qiáng)，又要有較高的抗震性能，可以承受各種不同類型的荷載。

通過對(duì)圓鋼管柱L型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，利用有限元專業(yè)仿真軟件SAP2000對(duì)其精準(zhǔn)數(shù)值建模和仿真計(jì)算，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自振周期及振型、結(jié)構(gòu)位移、構(gòu)件應(yīng)力比、典型連接節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算等五個(gè)方面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行強(qiáng)度與變形分析。

2 計(jì)算模型

該工程占地面積為351.5 m2，長50.088 m，寬31.279 m，最大距地面高度為9.38 m，圓鋼管柱L型鋼框架結(jié)構(gòu)的平面布置如圖1所示。

通過SAP2000數(shù)值分析軟件，建立項(xiàng)目模型并設(shè)置邊界約束條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真計(jì)算與分析，有限元模型如圖2所示。

設(shè)計(jì)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，荷載計(jì)算的準(zhǔn)確性將直接影響結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性［3］。本項(xiàng)目有較高的抗震性能要求，需要考慮各種不同設(shè)計(jì)荷載的荷載效應(yīng)組合，如表1所示［4-6］。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 自振周期與振型

利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，可得到結(jié)構(gòu)模型的自振周期和振型模態(tài)。結(jié)構(gòu)的前6階自振周期見表2。

3.2 構(gòu)件應(yīng)力比

在各種荷載工況組合條件下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的構(gòu)件設(shè)計(jì)承載力能力驗(yàn)算后，構(gòu)件整體的應(yīng)力比如圖3所示。

使用SAP2000進(jìn)行受力分析，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠滿足最大承載力要求，其中絕大多數(shù)位置應(yīng)力比控制不超過0.7，受力最大位置處應(yīng)力比約為0.754，滿足強(qiáng)度要求。

3.3 結(jié)構(gòu)位移

3.3.1 豎向位移

整個(gè)框架在恒載和活載作用下框架梁的豎向最大位移分別為15.4 mm和6.3 mm，為其跨度的1/779和1/1904；恒載及活載作用下的最大位移為19.6 mm，為跨度的1/612，小于規(guī)范容許值1/400，滿足撓度要求。結(jié)構(gòu)在恒載和活載下的結(jié)構(gòu)位移如圖4所示。

3.3.2 水平位移

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平荷載主要為風(fēng)荷載和地震荷載。通過整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析可知，在X向和Y向風(fēng)荷載作用下，柱頂?shù)淖畲笏轿灰品謩e為結(jié)構(gòu)高度的1/1142和1/779；在X向和Y向地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大水平位移分別為層高的1/714和1/536，表明結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和多遇地震作用下彈性層間位移均小于規(guī)范的容許變形值1/250，滿足撓度要求。結(jié)構(gòu)的整體變形分別如圖5和圖6所示。

3.4 梁柱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算

連接螺栓選用10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)度螺栓，螺栓直徑為M22，預(yù)拉力P=190 kN，摩擦面的抗滑移系數(shù)μ=0.35，腹板連接板為雙面。

單個(gè)高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為：

Nbv=0.9 nfμP=0.9×2×0.35×190=119.7 kN

選取典型的梁柱連接節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。最不利內(nèi)力組合下該節(jié)點(diǎn)所受的彎矩為Mmax=178 kN·m，剪力為Vmax=91 kN。

設(shè)計(jì)時(shí)，為了結(jié)構(gòu)安全考慮，梁柱連接節(jié)點(diǎn)所受的剪力僅由梁腹板處的螺栓承擔(dān)，則高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力驗(yàn)算為：

Nv=119.7×8=957.6 kNgt;91 kN，滿足要求。

雙面連接板凈截面抗剪承載力驗(yàn)算：

V=（325-24×4）×24×175×10-3=961.8 kNgt;91 kN，滿足要求。

設(shè)計(jì)時(shí)，為了結(jié)構(gòu)安全考慮，梁柱連接節(jié)點(diǎn)所受的彎矩僅由梁上、下翼緣處的對(duì)接焊縫承擔(dān)，則梁翼緣處焊縫的抗彎承載力驗(yàn)算：

M=12×200×305×（450-12）×10-6=320.6 kN·mgt;178 kN·m，滿足要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)L型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與有限元軟件數(shù)值建模分析之后，得到結(jié)論：

（1）絕大多數(shù)位置構(gòu)件的應(yīng)力比控制不超過0.7，最大的應(yīng)力比約0.754。在恒荷載及活荷載作用下框架梁的最大豎向位移為19.6 mm，約為跨度的1/612，小于規(guī)范容許值1/400。結(jié)構(gòu)受荷載作用下的強(qiáng)度和變形均能滿足相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)要求，說明該異型鋼結(jié)構(gòu)框架安全可靠。

（2）本項(xiàng)目為L型異型結(jié)構(gòu)，采用圓鋼管柱梁節(jié)點(diǎn)不僅連接方便和外形美觀，還能有效滿足整體框架的力學(xué)性能需求，可為同類型異型鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］ 曹萬林，武海鵬，周建龍.鋼-混凝土組合巨型框架柱抗震研究進(jìn)展［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，51（12）：1-12.

［2］ 鄭毅敏，孫華華，趙昕，等.大跨度高空鋼結(jié)構(gòu)連廊的有限元模型修正［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2009，22（1）：105-110.

［3］ 常瀚，郭正興，胡明坡，等.30m跨鋼連廊整體提升施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2009，38（10）：18-20.

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［6］ 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017-2017［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.