某連廊鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)分析

吳立 王勝

(中建三局集團(tuán)有限公司人防與地下空間設(shè)計(jì)院 湖北武漢 430070)

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某連廊鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)分析

吳立 王勝

(中建三局集團(tuán)有限公司人防與地下空間設(shè)計(jì)院 湖北武漢 430070)

基于有限元軟件MIDAS-Gen，從結(jié)構(gòu)布置、抗震抗風(fēng)性能和豎向振動(dòng)舒適度等方面對(duì)某大跨鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并以強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形為控制參數(shù)，對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)方案用鋼量明顯降低，取得良好經(jīng)濟(jì)效果。

大跨鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；舒適度

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多元化，但諸多設(shè)計(jì)人員對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的體系概念不清楚，對(duì)平面布置、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和樓板鋪設(shè)方向?qū)Y(jié)構(gòu)的影響和樓板平面剛度不夠重視。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)平面應(yīng)簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱和開展；盡量讓水平荷載合力作用線與結(jié)構(gòu)剛心重合；支撐布置宜對(duì)稱規(guī)則，拐角處不布置樓梯間和電梯間；結(jié)構(gòu)立面沿高度方向均勻變化，剛度均勻連續(xù)避免突變等。同時(shí)，合理建立受力分析模型。

本工程結(jié)合某連廊原設(shè)計(jì)圖紙，從鋼結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)及大跨鋼結(jié)構(gòu)豎向舒適度等幾方面指標(biāo)作為控制點(diǎn)，從調(diào)整構(gòu)件截面類型為設(shè)計(jì)變量，以鋼框架的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形為狀態(tài)變量，以用鋼量最少為目標(biāo)，綜合結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件加工制作安裝方便、材料采購(gòu)等，并考慮到結(jié)構(gòu)的重要性及復(fù)雜性，采用MIDAS-Gen程序?qū)υ摻ㄖY(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某購(gòu)物中心位于武漢市漢陽(yáng)武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，連廊鋼結(jié)構(gòu)部分位于20軸～23軸之間，連廊主體為鋼框架結(jié)構(gòu)，整體模型，如圖1所示。屋面為型鋼桁架結(jié)構(gòu)，最大跨度37.9m，最高21.650m。樓面采用150mm厚鋼筋桁架組合樓板、屋面采用120mm厚鋼筋桁架組合樓板，落地鋼柱為方鋼管混凝土柱，吊柱為箱型柱。模型采用空間三維桿系模型，正立面，如圖2所示。 桿件選用Frame單元，該單元可以考慮彎剪扭3種作用的共同作用。在計(jì)算過程中，將鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)面以上部分鋼柱與屋面鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，柱腳采用埋入式剛接柱腳。

2 分析方法

(1)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)重要性不同，采取不同的應(yīng)力比控制指標(biāo)，以保證對(duì)結(jié)構(gòu)安全性比較關(guān)鍵的構(gòu)件有比較大的安全儲(chǔ)備；

(2)對(duì)多遇地震下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，按照彈性設(shè)計(jì)控制，地震分析方法以反應(yīng)譜法為主進(jìn)行計(jì)算，考慮了雙向水平地震與豎向地震的作用；

(3)考慮初始缺陷影響，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析；

(4)對(duì)連廊大跨度區(qū)的樓板振動(dòng)的舒適度按時(shí)程分析影響。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析思路

連廊優(yōu)化設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照規(guī)范要求，柱頂位移、撓度、周期比、剪重比、剛度比、位移比、位移角限值、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、應(yīng)力比等指標(biāo)，如下所示：

(1)柱頂位移：0.8%；(5)樓層側(cè)向剛度比：≥0.7Ku1；(6)層間位移比：<1.5；(7)彈性層間位移角：1/250；(8)應(yīng)力比如表1所示。

對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比的控制，在本工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)《抗規(guī)》8.3.1條，采取的控制參數(shù)為：

表1 桿件應(yīng)力比控制指標(biāo)

通過對(duì)原設(shè)計(jì)模型和新建MIDAS有限元模型做對(duì)比分析，可以得出：

(1)連廊鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)鋼柱、鋼梁的應(yīng)力比有優(yōu)化空間；

(2)從實(shí)際安裝施工難度和市場(chǎng)成品材質(zhì)(軋制型鋼)采購(gòu)的角度，構(gòu)件截面也有待優(yōu)化，故模型中設(shè)定優(yōu)化選擇程序，以原設(shè)計(jì)規(guī)格為原型，在滿足結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等符合規(guī)范要求下，調(diào)整構(gòu)件截面，使構(gòu)件材料得到充分的利用，確保節(jié)點(diǎn)承載力要求，使得整體結(jié)構(gòu)既合理又經(jīng)濟(jì)，同時(shí)便于現(xiàn)場(chǎng)施工安裝和材料采購(gòu)，如表2所示。

表2 某主要優(yōu)化構(gòu)件截面比對(duì)

4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析及抗震、抗風(fēng)性能分析

4.1 動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性(頻率和振型)是承受動(dòng)態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是進(jìn)行地震、抗風(fēng)反應(yīng)分析的基礎(chǔ)[1]。采用Lanczos特征值向量法得到的結(jié)構(gòu)前三階振型如圖3～圖5所示，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的振動(dòng)模態(tài)可以看出，結(jié)構(gòu)的整體性能良好，前三階滿足抗震規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)性能的要求。

圖3 第一階振型(Y向平動(dòng)1.3738s)

圖4 第二階振型(X向平動(dòng)1.1491s)某連廊結(jié)構(gòu)前三階振型

圖5 第三階振型(扭轉(zhuǎn)1.0460s)

4.2 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)總體評(píng)價(jià)

按照規(guī)范和設(shè)計(jì)院提供的圖紙知本工程地面粗糙度為C類， 結(jié)構(gòu)位移計(jì)算時(shí)采用50年重現(xiàn)期風(fēng)壓0.35kN/m2。通過計(jì)算，本工程的抗風(fēng)性能如下：

(1)頂點(diǎn)位移

靜力彈性分析在50年基本風(fēng)壓作用下，Y向頂層位移最大為7.50mm，與其高度的比值為1/2 786。

(2)層間位移角

靜力彈性分析50年基本風(fēng)壓作用下， 最大層間位移角發(fā)生在頂層，為1/798，滿足1/250的規(guī)范要求值。

(3)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)總體評(píng)價(jià)

某連廊鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能滿足強(qiáng)度、剛度和舒適度要求，能夠滿足安全性要求，能夠滿足適用性與可靠性要求。

4.3 結(jié)構(gòu)抗震總體評(píng)價(jià)

本工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，抗震設(shè)計(jì)分組第一組。場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期0.35s。多遇地震水平影響系數(shù)最大值:0.055，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04。建筑物重要性按乙類考慮。

為了保證本工程在多遇地震作用下的安全性，通過計(jì)算，匯總?cè)缦拢?/p>

(1)頂點(diǎn)位移

靜力彈性分析在多遇水平地震作用下，Y向頂層位移最大為6.56mm，與其高度的比值為1/3 186。

(2)層間位移角

靜力彈性分析多遇水平地震作用下， 最大層間位移角發(fā)生在底層，為1/2 012，滿足1/250的規(guī)范要求值。

(3)結(jié)構(gòu)抗震總體評(píng)價(jià)

某連廊鋼結(jié)構(gòu)抗震性能滿足強(qiáng)度、剛度和舒適度要求，能夠滿足安全性要求，能夠滿足適用性與可靠性要求。

5 結(jié)構(gòu)承載力的計(jì)算分析

由圖6～圖9可知，經(jīng)優(yōu)化后連廊鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件含鋼管混凝土構(gòu)件，在最不利荷載包絡(luò)組合下的應(yīng)力比均小于0.90，僅大跨中部應(yīng)力比偏高，達(dá)到0.89，大部分構(gòu)件應(yīng)力比分布在0.21～0.75；同時(shí)根據(jù)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震原則，柱子的應(yīng)力比極值均小于框架梁的應(yīng)力比極值，保證了結(jié)構(gòu)安全性第一，同時(shí)在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6 整體屈曲分析

對(duì)于連廊的結(jié)構(gòu)體系，整體穩(wěn)定性顯得尤為重要，故進(jìn)行整體屈曲穩(wěn)定性分析。首先在程序中定義屈曲工況，在恒載+活載/恒載+風(fēng)載作用下，分別進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析，取特征值系數(shù)較小值，前6階屈曲特征值系數(shù)如表3所示：

表3 連廊結(jié)構(gòu)屈曲特征值系數(shù)

如表3和圖10所示，第1階屈曲模態(tài)時(shí)，屈曲特征值系數(shù)即為正值，該值為6.77>4.2,滿足規(guī)范要求。在前6階模態(tài)中，隨屈曲特征值的不斷增大，結(jié)構(gòu)變形僅僅是局部桿件發(fā)生屈曲，主結(jié)構(gòu)無明顯擾動(dòng)變形。故認(rèn)為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力滿足要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

7 連廊樓板振動(dòng)舒適度分析

通常情況下，技術(shù)人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，往往僅考慮結(jié)構(gòu)的安全性問題，基本都采用規(guī)范中以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，使結(jié)構(gòu)在承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性條件。隨著施工技術(shù)的變革、輕質(zhì)高強(qiáng)材料的使用以及新型結(jié)構(gòu)體系的采用，現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)變得更輕、更柔、跨度更大，直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的自振頻率顯著降低，與人行動(dòng)荷載的主頻段(步行為1.6Hz～2.4Hz，跑步時(shí)為2.0Hz～3.5Hz，跳躍為1.8Hz～3.4Hz，彈跳為1.5Hz～3.0Hz)的頻率接近，容易發(fā)生共振現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較顯著的動(dòng)力響應(yīng)，這些動(dòng)力響應(yīng)往往不足以帶來結(jié)構(gòu)安全性問題，但是常常會(huì)給結(jié)構(gòu)中的人帶來不適感，出現(xiàn)緊張甚至恐慌心理，降低了工作效率與居住質(zhì)量，影響了人們的正常生活，這就是所謂的舒適度問題[2-3]。由于該連廊屬于商場(chǎng)用途，正常使用時(shí)人流密度較大，人群活動(dòng)下結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)，對(duì)連廊大跨度區(qū)域的舒適度分析尤為重要。

本工程選擇連廊在標(biāo)高7.25m樓層處37.9m大跨度區(qū)域，由于該處豎向剛度較弱，豎向頻率小，豎向振動(dòng)明顯，因此對(duì)大跨區(qū)域進(jìn)行舒適度分析可以作為結(jié)構(gòu)整體舒適度考量的依據(jù)。

7.1 動(dòng)力特性分析

根據(jù)目前的模型計(jì)算分析，豎向振動(dòng)較為明顯區(qū)域位于37.9m大跨度區(qū)，其位置如圖11和圖12所示：

由分析可知，大跨區(qū)域樓板豎向振動(dòng)頻率為5.05Hz,滿足《高規(guī)》[4]與《城市人行天橋規(guī)范》[5]中不宜小于3Hz的樓蓋豎向頻率控制要求。

7.2 動(dòng)力響應(yīng)分析

對(duì)于大跨結(jié)構(gòu)僅通過豎向自振頻率控制舒適度是不夠的，尚應(yīng)輸入人行激勵(lì)，根據(jù)時(shí)程分析得出樓板共振頻率與對(duì)應(yīng)的峰值加速度，判定舒適度。人行動(dòng)荷載的主頻段(步行為1.6Hz～2.4Hz，跑步時(shí)為2.0Hz～3.5Hz，跳躍為1.8Hz～3.4Hz，彈跳為1.5Hz～3.0Hz)，對(duì)本結(jié)構(gòu)取的激勵(lì)頻率f范圍為1.2Hz～4.0Hz,行走分析時(shí)間間隔40/f，通常人同步跳躍、行走概率很低。本工程分析僅考慮單人行走動(dòng)力荷載取值=激勵(lì)系數(shù)×0.60Kn(近似單人重量)，激勵(lì)系數(shù)隨行走頻率增大而增大，充分考慮了單人行走與連續(xù)行走兩種情況。

7.3 人行連廊舒適度評(píng)價(jià)

如圖13和圖14所示，通過考察豎向振動(dòng)模態(tài)，大致確定了樓板振動(dòng)位置，集中于大跨區(qū)域，對(duì)該區(qū)域施加不同頻率的人行激勵(lì)時(shí)程，樓板的峰值加速度是5.95×10-4m/s2,滿足《高規(guī)》第3.7.7條對(duì)商場(chǎng)連廊結(jié)構(gòu)加速度限值0.15m/s2的要求，分析表明該連廊樓蓋具有適宜的剛度和舒適性，滿足設(shè)定的目標(biāo)要求。

8 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某連廊鋼結(jié)構(gòu)實(shí)例，以鋼框架的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形為分析基礎(chǔ)，以優(yōu)化構(gòu)件截面選型用鋼量最少為目標(biāo)，分析表明：

(1)本連廊屬于大跨空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)結(jié)構(gòu)體系及桿件的重要性，在滿足規(guī)范要求，確保受力合理，安全可靠，施工安裝便利，構(gòu)件選材規(guī)格常見3個(gè)方面前提下，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量總計(jì)優(yōu)化291t左右，具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(2)本工程優(yōu)化設(shè)計(jì)除了進(jìn)行計(jì)算分析外，還采用相對(duì)合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理來滿足受力要求，以滿足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

(3)通過分析鋼結(jié)構(gòu)樓蓋豎向振動(dòng)模態(tài)，大致確定了樓板振動(dòng)位置，選取大跨度中心位置施加人行激勵(lì)時(shí)程，分析表明樓板振動(dòng)舒適度滿足設(shè)定目標(biāo)要求。

本工程優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了良好優(yōu)化效果，可為其他業(yè)主及設(shè)計(jì)人員提供優(yōu)化參考。

[1] 徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 陳剛，周杰．人行激勵(lì)下大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊舒適度分析[J]．安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013, 33(04):72-77.

[3] 馬臣杰,楊鴻，鄭竹，等．深圳市當(dāng)代藝術(shù)館與城市規(guī)劃展覽館樓板振動(dòng)舒適度分析[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2011(S1):731-733.

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S]．北京：中國(guó)人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010.

[5] CJJ69-95 城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)人民共和國(guó)建設(shè)部，1996.

Optimization and design analysis of a steel continuous Gallery

WULiWANGSheng

(Civil air defence and Underground Space Design Institute of the three Bureau Group Co., Ltd., Wuhan 430070 )

Based on the finite element software MIDAS-Gen, a large span-steel structure gallery structure is analyzed from architecture project, seismic resistance and wind resistance and Vertical vibration comfort. And taking strength, stability and deformation as control parameters to optimized engineering example. The analysis results show that less steel is used in the optimized architecture project, and the optimized architecture project achieve a good economic effect.

Large span steel structure; Structure optimization; Comfort degree

吳立(1981.10- ),男,工程師。

E-mail:93346414@qq.com

2016-07-02

TU391

A

1004-6135(2016)10-0042-05