超高層建筑樓頂三面翻廣告牌鋼結構分析

摘要：高層建筑頂部的廣告牌受外界影響因素復雜，其結構安全校核難度較大。根據山西宏圣可建9T26樓頂三面翻廣告牌的結構特點，應用有限元法分析了該廣告牌鋼結構在恒載、活載、風荷載和地震作用等荷載構成的四種工況下的位移與應力。分析結果表明風荷載是影響高層建筑頂部廣告牌安全的關鍵因素；根據該三面翻廣告牌鋼結構的有限元模型對原結構設計的不足給出數值依據并給出整改加固措施。

關鍵詞：高層建筑有限元法風荷載地震作用三面翻廣告牌鋼結構

1結構概況

廣告牌位于晉城市山西宏圣可建9T26辦公樓（高約86m）樓頂，其結構布置如圖1（左）所示。

廣告牌結構縱向由7榀三角形剛架組成，剛架之間由橫向主梁連接構成三維剛架結構。廣告牌結構強度和穩定性分析的關鍵因素為地震作用及垂直于廣告牌面的風荷載，由于各榀三角形剛架的結構形式基本相同，具體計算時取典型的一榀三角形剛架進行分析。

三角形剛架主立柱采用100×100×3鍍鋅方管，橫梁采用50×100×3鍍鋅方管，斜拉主梁采用50×100×3鍍鋅方管。斜拉主梁下方三角區域增加1條次橫梁，1根次立柱和2條斜撐以增加三角形剛架的面內剛度，其中次橫梁和次立柱采用50×100×3鍍鋅方管，斜撐采用40×60×2.5鍍鋅方管。具體結構布置如圖1（右）所示。

廣告牌結構采用鍍鋅矩形鋼管，其材料參數為：彈性模量E=2.07e5MPa；泊松比μ=0.3；質量密度ρ=7.85e3kg/m3。

2荷載數據

計算分析考慮風荷載、三面翻廣告牌的重量、廣告安裝通道活荷載和結構自重，同時還考慮8度抗震設防的要求。其中風荷載和三面翻廣告牌的重量均為分布荷載；結構自重和地震作用作為慣性力，以加速度的方式施加；廣告安裝通道沿廣告牌平面布置，方向與三角形剛架相垂直，故廣告安裝通道活荷載按集中荷載計算[1][2][3]。

2.1風荷載

《建筑結構荷載規范GB50009-2012》風荷載計算章節未說明晉城50年一遇基本風壓值，但給出相鄰地區長治縣基本風壓值0.5kN/m2和陽城基本風壓值0.45kN/m2，本報告將晉城50年一遇基本風壓值取為0.5kN/m2。

樓頂廣告牌的風荷載標準值應按下式計算，并且不應小于1.00kN/m2：

wk=βgzμsμzw0

其中βgz為陣風系數，μs為風荷載體型系數，μz風壓高度變化系數，w0為基本風壓，上述各參數均按GB50009-2003規定取值。可建9T26辦公樓位于晉城市郊，周圍地理環境為田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏，故取B類地區。風荷載體型系數根據規范取1.2。因此，βgz取值1.52，μs取值1.3，μz取值2.02。

風荷載為均布荷載，本文取B類地區86m和93m高處風荷載標準值的平均值，即Wk=1.996kN/m2。

風荷載組合系數取值1.4，故風荷載設計值為w=1.4×wk=2.794kN/m2。

每一跨廣告牌的分布荷載平均分配給兩側三角形剛架承受，故一榀三角形剛架所承受的風荷載設計值為11.176N/mm，沿剛架立柱線性分布，作用方向垂直立柱軸線。

2.2地震加速度

按照抗震設防烈度為8度的設計要求，最大水平地震影響系數αmax=0.16；

最大水平地震加速度為αmx=1.5696e3mm/s2；

考慮地震作用的荷載組合系數和分項系數，地震最大水平加速度αx=3.25×αmx=5.1012e3mm/s2。

根據圍護結構設計規范，最大垂直地震加速度αmy=0.65×αx=3.316e3mm/s2。

重力加速度g=9810mm/s2。

地震最大垂直加速度αy=αmy+g=13.126e3mm/s2。

2.3三面翻廣告牌重量

三面翻廣告牌背部框架上下橫梁采用100×100×3鍍鋅方管，中間5道橫梁采用40×60×2.5鍍鋅方管。每跨三角形剛架中間有1個50×100×3鍍鋅方管次立柱，長度為5m。

每一跨廣告牌的分布荷載平均分配給兩側三角形剛架承受，故一榀三角形剛架所承受的廣告牌重量為0.29kN/m，沿剛架立柱線性分布，作用方向平行立柱軸線。

3有限元分析

3.1單元類型

Beam188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于鐵木辛哥梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響。Beam188是三維線性（2節點）或者二次梁單元，非常適合線性、大角度轉動以及大應變等非線性問題。

Beam188是基于一階剪切變形理論，也就是鐵木辛哥梁理論，其橫向剪切應變在橫截面是常量，也就是說變形后橫截面保持平面不發生扭曲，即假定剪應力和剪應變在截面上是均勻分布的，因此剪切應變能與橫向剪力成線性關系[4]。

3.2有限元模型（圖2）

3.3有限元分析

考慮到三角形剛架結構的受力狀態，對其進行有限元分析考慮了四種工況，即：①恒載+活載；②恒載+活載+風荷載；③恒載+活載+地震作用；④恒載+活載+風荷載+地震作用。

分析項目為結構最大變形和最大應力，其有限元計算分析云圖如圖3所示。

結構安全標準從兩個方面來考慮，一個是強度，另一個是最大變形。結構安全強度一般以材料的屈服強度為參考，本三角形剛架結構采用普通標準方管型鋼，其屈服強度為235MPa。結構變形校核參考《鋼結構設計規范》表A.1.1受彎構件撓度容許值，三角形剛架結構的立柱類似懸臂梁，長6.6m，按規范要求取計算長度13.2m，變形撓度允許值為33mm，底部橫梁長5.8m，變形撓度允許值為29mm。以上述四種工況下結構的有限元分析，可得到下列結果[1][3][5]：

①僅考慮恒載和活載情況下，X軸向最大變形為1.636mm，Y軸向最大變形為1.948mm，最大應力為13.605MPa，都滿足規范要求，結構處于安全狀態。

②考慮恒載、活載和風荷載情況下，X軸向最大變形為61.317mm，Y軸向最大變形為69.742mm，最大應力為483.011MPa，都不滿足規范要求，結構處于不安全狀態。

③考慮恒載、活載和地震作用情況下，X軸向最大變形為1.358mm，Y軸向最大變形為1.637mm，最大應力為12.689MPa，都滿足規范要求，結構處于安全狀態。

④在結構極限狀態下，考慮恒載、活載、風荷載和地震作用的共同作用，三角形剛架X軸向最大變形為61.028mm，Y軸向最大變形為69.432mm，最大應力為482.025MPa，都不滿足規范要求，結構處于不安全狀態。

⑤對比四種工況下結構的力學反應可以看出，風荷載對結構的影響最為關鍵，建筑結構設計重點關注的地震作用對本結構的影響有限，不對結構安全造成威脅。

4結論

根據鋼結構安全校核標準以及有限元分析結果，山西宏圣可建9T26辦公樓樓頂三面翻廣告牌的結構存在安全隱患。鑒于風荷載是影響本三角形剛架結構安全的關鍵因素，要提高整個廣告牌結構體系的安全，必然要減少每一榀三角形剛架所承受的風荷載，在當前結構體系的基礎上可考慮增加三角形剛架數量以減輕每一榀三角形剛架所受風荷載。經測算，每間距2m以內設置一榀三角形剛架，在保證施工質量的前提下，可以滿足結構計算的安全要求。

參考文獻：

[1]魏明鐘.鋼結構[M].第二版.武漢：武漢理工大學出版社，2002.

[2]GB50009-2012，建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]徐鶴山.ANSYS建筑鋼結構工程實例分析[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結構分析單元與應用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

作者簡介：

胡文亮（1979-），男，河南焦作人，河南理工大學講師，碩士，研究方向：土木工程。