王 佳 煒

(貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

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某鋼結(jié)構(gòu)塔架的穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

王 佳 煒

(貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

以云南某宗教建筑為例，采用Midas Gen分析軟件，建立了簡(jiǎn)化模型，對(duì)該建筑鋼塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性與穩(wěn)定性分析，并根據(jù)分析結(jié)果，提出了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化建議，從而確保塔架的安全性。

宗教建筑，鋼塔架，彈性分析，穩(wěn)定性

1 工程概況

本項(xiàng)目為云南某地一宗教建筑，屋頂鋼結(jié)構(gòu)的造型為設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，充分的體現(xiàn)了該宗教建筑的特點(diǎn)。該工程建筑總面積為5 531 m2，22.500 m標(biāo)高以下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，22.500 m標(biāo)高以上為鋼塔架結(jié)構(gòu)，鋼塔架高24.6 m(塔頂距±0.000標(biāo)高47.1 m)，具體情況見圖1。該項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)抗震設(shè)防烈度為7度，故下部混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)，鋼塔架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為四級(jí)。

鋼塔架為Q235的無縫鋼管焊接而成，外裝采用鋁單板和玻璃幕墻實(shí)現(xiàn)建筑效果。其中鋼塔架結(jié)構(gòu)主要由豎向構(gòu)件、環(huán)向橫隔、腹桿三部分組成。豎向構(gòu)件分別由6根φ219×14鋼管從22.500 m標(biāo)高直至塔頂通過焊接球合并為塔尖，由5根φ219×14鋼管根據(jù)正立面造型搭建而成，由于背立面存在折面又增加了2根φ219×14鋼管，作為折面的脊線。環(huán)向橫隔有閉合和開口兩種，其中22.500 m和27.300 m標(biāo)高處為開口環(huán)向橫隔，規(guī)格均為φ194×12；32.100 m和40.670 m處為閉合橫隔，規(guī)格分別為φ180×12和φ159×10。腹桿主要尺寸為φ108×6，個(gè)別應(yīng)力比較大的位置選用φ159×10。鋼塔架豎向構(gòu)件和環(huán)向橫隔用鋼量為18.8 t，腹桿用鋼量為6.3 t。鋼塔結(jié)構(gòu)布置如圖2所示，圖中粗實(shí)線表示豎向構(gòu)件，粗虛線表示環(huán)向橫隔，細(xì)線表示腹桿。約束支座共10個(gè)，圖2中均有標(biāo)注。由于塔架平面關(guān)于Y軸對(duì)稱，左右側(cè)立面結(jié)構(gòu)布置相同，故圖2中僅表達(dá)了正、背、側(cè)三個(gè)立面。由塔架俯視圖可清晰分辨出，塔架的結(jié)構(gòu)布置關(guān)于Y軸對(duì)稱，根據(jù)造型的需要，X軸兩邊的結(jié)構(gòu)布置有較大的差異，具體情況見圖3。

2 分析思路

本文采用分析軟件Midas Gen來完成鋼塔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及整體穩(wěn)定性分析，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言，框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度僅受周邊梁柱的線剛度比影響，而該塔架結(jié)構(gòu)塔柱計(jì)算長(zhǎng)度的確定則比較困難，塔架平面的形狀、邊界約束條件、環(huán)向橫隔、荷載條件等眾多因素對(duì)某一根塔柱的計(jì)算長(zhǎng)度均有干擾，若從整體模型中單獨(dú)提取某根塔柱建立一個(gè)準(zhǔn)確的局部模型來考慮比較麻煩，結(jié)合本工程的建筑體量，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，本工程采用整體模型分析。

2.1 簡(jiǎn)化模型

由于腹桿對(duì)主體的剛度和穩(wěn)定性都有一定的貢獻(xiàn)，從簡(jiǎn)化、安全的角度下考慮，在整體模型中僅建立豎向桿件和環(huán)向橫隔，忽略腹桿的貢獻(xiàn)?？紤]到外裝自重和風(fēng)荷載受荷面的問題，分析模型中腹桿之間設(shè)置了彈性模量為零，自重為1.5 kN/m2的虛板。虛板不僅模擬了建筑的自重，還有效的將風(fēng)荷載傳遞到桿件節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)邱暉、付舉宏等[1]對(duì)位移邊界條件的研究，表明塔架結(jié)構(gòu)下部鉸接、上部自由時(shí)，塔柱的計(jì)算長(zhǎng)度略大，因此本工程的位移邊界條件就按此考慮。

2.2 荷載取值

按簡(jiǎn)化模型的思路，結(jié)合虛板所考慮的外裝飾自重，分析軟件將結(jié)構(gòu)所有自重考慮為恒載工況。由于鋼塔架關(guān)于Y軸對(duì)稱，風(fēng)荷載分別考慮了三個(gè)方向的來風(fēng)，即正立面、背立面和側(cè)立面方向的風(fēng)荷載，在此分別將三個(gè)方向的來風(fēng)定為WY1,WY2,WX。因此，該模型的荷載組合考慮為1.2×恒荷載(自重)+1.4×風(fēng)荷載(分別考慮不同方向)+0.98活荷載。

2.3 分析過程

3 分析結(jié)果

通過前文所述的內(nèi)容，在幾何非線性中按位移控制法，分別求出三個(gè)來風(fēng)方向所組合的荷載工況，在合適的節(jié)點(diǎn)最大位移控制下可得到位移拐點(diǎn)，此時(shí)即求出極限荷載系數(shù)，出現(xiàn)位移拐點(diǎn)的位移曲線圖如圖4所示。

現(xiàn)將彈性分析和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的結(jié)果羅列如表1所示，特別需要說明的是表1中數(shù)據(jù)是通過多次計(jì)算調(diào)試，分別對(duì)豎向構(gòu)件和環(huán)向橫隔的構(gòu)件大小進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)位移邊界條件進(jìn)行了調(diào)整后確定的最終分析結(jié)果。表1中最大應(yīng)力及位移是基于彈性分析下的結(jié)果，為設(shè)計(jì)提供復(fù)核依據(jù)。極限荷載系數(shù)是基于幾何非線性下進(jìn)行屈曲分析所求得的，旨在表征結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定安全的量值標(biāo)準(zhǔn)。

表1 分析結(jié)果

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

該工程通過前期所做的分析工作，經(jīng)過對(duì)分析模型的調(diào)試，對(duì)分析結(jié)果的判斷。為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供了支撐，在此重點(diǎn)介紹該工程的兩處優(yōu)化內(nèi)容。

1)該工程在設(shè)計(jì)之初，僅考慮了支座-1未考慮支座-2(如圖2所示)，在后續(xù)分析的結(jié)果中觀察到27.300m標(biāo)高處的環(huán)向橫隔應(yīng)力較大，查看其彈性屈曲模態(tài)下的動(dòng)畫此處變形明顯較大。究其原因，環(huán)向橫隔對(duì)鋼塔架的整體穩(wěn)定性有較大的貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)[1]對(duì)此也有研究，加之此處環(huán)向橫隔并未閉合，無形中就使此處成為了一個(gè)薄弱點(diǎn)，為彌補(bǔ)該環(huán)向橫隔的不足，考慮在橫隔開口的兩端增設(shè)一個(gè)X,Y方向的約束即為支座-2。最終不僅解決了該環(huán)向橫隔及周邊腹桿應(yīng)力及位移較大的問題，同時(shí)還有效的提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。2)基于前文所述，在增設(shè)位移邊界約束條件的前提下，結(jié)合彈性分析和結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析的結(jié)果。本工程在3D3S軟件中初算時(shí)，豎向構(gòu)件定為φ293×16，以現(xiàn)階段的分析結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的支撐，可將此規(guī)格的桿件優(yōu)化為φ219×14的桿件，可在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下節(jié)約一定的用鋼量。

5 結(jié)語

1)鋼塔架不便于單獨(dú)考慮某根構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，分析過程中可根據(jù)工程的實(shí)際情況考慮對(duì)整體模型的簡(jiǎn)化或局部模型來做屈曲分析，以此確定塔架的整體穩(wěn)定性能。2)環(huán)向橫隔對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能的貢獻(xiàn)顯著，建議盡量做強(qiáng)橫隔，條件允許的情況下應(yīng)環(huán)向閉合，若不能閉合應(yīng)采取措施。3)通過穩(wěn)定性分析，獲得鋼塔架整體模型中最不利荷載工況下的極限承載力。極限狀態(tài)時(shí)最不利水平風(fēng)荷載為設(shè)計(jì)值的19.5倍。

[1] 邱 暉,付舉宏.基于彈性屈曲理論的正多邊形鋼塔架計(jì)算長(zhǎng)度的研究[J].特種結(jié)構(gòu),2015(4)：20-22.

[2]GB50017—200X，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(送審版)[S].

[3]GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 郭彥林,劉祿宇.廣州新電視塔細(xì)腰段整體模型穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(8)：66-68.

[5] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

Thestabilityanalysisandoptimizationdesignofasteelstructuretower

WangJiawei

(GuizhouArchitecturalDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Guiyang550081,China)

Taking a religious building in Yunnan as an example, using Midas Gen analysis software, this paper established the simplified model, made elastic and stability analysis on the building steel structure, and according to the analysis results, put forward the optimization suggestions to the structure, so as to ensure the safety of the tower.

religious building, steel tower, elastic analysis, stability

1009-6825(2017)12-0047-02

2017-02-11

王佳煒(1987- )，男，工程師

TU391

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