某工業(yè)廠區(qū)大門的結(jié)構(gòu)分析

潘宇　孫蓉莉　贠航

（中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司　西安　710082）

某工業(yè)廠區(qū)大門的結(jié)構(gòu)分析

潘宇孫蓉莉贠航

（中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司西安710082）

采用有限元分析程序SAP2000和PMSAP對(duì)該廠區(qū)的大門進(jìn)行模態(tài)分析和整體計(jì)算。通過(guò)其固有振動(dòng)周期和振型，對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)該工業(yè)廠區(qū)大門的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)估。

大門；模態(tài)分析；風(fēng)荷載；SAP2000

引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)于審美的要求也不斷提高，無(wú)論對(duì)住宅區(qū)還是工業(yè)廠區(qū)，大門作為首先留給人們的印象顯得十分重要。基于此大門的建筑造型不斷追求新穎、美觀，而結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)則應(yīng)追求安全、合理，需要較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況。

1　工程概況

該工業(yè)廠區(qū)大門位于西安市臨潼區(qū)北田鎮(zhèn)灘王村，西鄰秦王二路。

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.20g，抗震等級(jí)為三級(jí)。基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類。恒荷載為自重荷載，活荷載為0.5kN/m2。

大門建成后的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

圖1　建成后現(xiàn)場(chǎng)照片

全鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)45m，由三跨單榀鋼桁架組成，跨度分別為9m、15.5m、9.7m。桁架頂標(biāo)高8.6m，全高14.8m。第一跨桁架及其豎向構(gòu)件由外掛石材圍成，二、三跨桁架由格柵板圍護(hù)，因建筑立面需要，格柵的通風(fēng)率較小，在模型建立中不予考慮，一律按封閉面進(jìn)行計(jì)算，偏于安全。

2　結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算

2.1模態(tài)分析

因該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大，Y向剛度與X向剛度相比明顯較小，同時(shí)主要豎向構(gòu)件偏置一方，易于引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期提前。為了使結(jié)構(gòu)剛度布置更為合理，同時(shí)滿足抗震規(guī)范“平動(dòng)、平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)”的要求，在結(jié)構(gòu)兩側(cè)沿豎向構(gòu)件布置多道橫梁及斜撐，調(diào)節(jié)側(cè)向剛度，三維有限元模型如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)采用SAP2000和PMSAP兩種軟件進(jìn)行分析比較。表1所列為采用SAP2000計(jì)算所得的自振頻率，前三階振型如圖3所示。

通過(guò)第一、二階模態(tài)振型得知標(biāo)高14.8m處結(jié)構(gòu)平面的水平位移較大，分析可知標(biāo)高8.4～14.8m的豎向構(gòu)件剛度較小。而通過(guò)第三階模態(tài)振型結(jié)果得知該結(jié)構(gòu)向第一、二跨的側(cè)向剛度較小，這是由于建筑造型使得豎向構(gòu)件較多設(shè)置在第三跨，且第一、二跨跨度較大。

圖2　三維有限元模型圖

表1　結(jié)構(gòu)固有頻率

圖3　前三階模態(tài)振型圖

2.2風(fēng)荷載計(jì)算

由建筑立面，圍護(hù)主要為外掛石材所形成封閉面，自重較小，地震荷載不起控制作用。而局部遮擋形成封閉面，風(fēng)荷載的計(jì)算就顯得較為重要。在SATWE中，程序默認(rèn)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)是全封閉的，則風(fēng)荷載的計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)是不相符的。對(duì)于風(fēng)荷載作用采用SAP2000和PMSAP程序進(jìn)行計(jì)算可以很好地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。SAP2000中可以添加無(wú)質(zhì)量無(wú)剛度的虛面，根據(jù)風(fēng)荷載所作用的面將風(fēng)荷載等效在周邊的構(gòu)件上。根據(jù)規(guī)范要求指定在虛面上的壓力系數(shù)，如計(jì)算Y向風(fēng)荷載作用，在迎風(fēng)面輸入體型系數(shù)為0.8，背風(fēng)面輸入體型系數(shù)為-0.5；在PMSAP中有相似的墻單元，指定單元質(zhì)量為0，但無(wú)需指定體型系數(shù)。模型虛面如圖4所示。

圖4　模型虛面圖

Y向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的基底總剪力，SAP2000的計(jì)算結(jié)果為145.7kN，PMSAP的計(jì)算結(jié)果為160.1kN，兩者較為接近。

Y向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移，SAP2000的計(jì)算的最大位移為11.2mm，在標(biāo)高14.8m處。PMSAP最大位移為15.75mm。

3　結(jié)論

（1）在工程實(shí)際的基礎(chǔ)上建立有限元模型，通過(guò)模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)前三階的固有頻率和振型，同時(shí)根據(jù)計(jì)算所得的固有頻率和振型，可以總體上認(rèn)知結(jié)構(gòu)的振動(dòng)規(guī)律和剛度分布情況，確定結(jié)構(gòu)剛度的薄弱部位，便于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以改進(jìn)和加強(qiáng)。

（2）通過(guò)SAP2000和PMSAP計(jì)算整體結(jié)構(gòu)，對(duì)比Y向風(fēng)荷載作用下基底剪力和最大頂點(diǎn)位移，兩者的結(jié)果較為接近，由此可以確定風(fēng)荷載的計(jì)算較為準(zhǔn)確，且計(jì)算結(jié)果小于規(guī)范允許的最大位移限值99mm，滿足設(shè)計(jì)結(jié)果。

（3）由于結(jié)構(gòu)體系為單跨，根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）的要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件應(yīng)予加強(qiáng)。

[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]SAP2000 Analysis Reference，Version 14，Computers and Structures.

[3]李丙濤，謝肖禮，張二毛.ANSYS在巨型框架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中的應(yīng)用[J].山西建筑2008，8.

[4]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

R318

A

1673-0038（2015）17-0019-02

2015-4-10

潘宇（1983-），男，助理工程師，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

孫蓉莉（1980-），女，工程師，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

贠航（1982-），男，工程師，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。