新型結構梁柱節點在當前項目中應用的有限元分析研究

董 俊（機械工業第六設計研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

新型結構梁柱節點在當前項目中應用的有限元分析研究

董 俊（機械工業第六設計研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

目前行業內高架庫結構形式存在高支模施工難度大、建筑施工周期長、工程造價高等諸多問題，我們現提出一種目前已在煙草行業項目中應用廣泛的技術解決方案即大跨度混合結構框架體系，且采用有限元對這種結構梁柱節點進行分析得出一些有益的建議。

大跨度混合結構框架體系；有限元分析；線剛度比

1 研究背景

煙草工廠聯合工房中的高架庫是生產物流系統中的重要建筑之一，柱網要求一般為柱列方向6米～9米，跨度方向18m～42m，跨數為單跨或多跨，建筑高度為單層廠房高度為24m。目前行業內高架庫結構選型根據項目工藝要求和建筑造型要求，采用的結構形式比較簡單，主要有以下幾種：1）普通鋼筋混凝土框架結構。采用普通鋼筋混凝土技術，按建筑造型要求搭建高支模滿堂鋼管腳手架，確保梁板混凝土澆筑后腳手架有足夠的承載能力。綁扎梁板鋼筋，現澆梁、板混凝土，達到強度后拆除鋼管腳手架。2）預應力鋼筋混凝土框架結構。采用無粘結預應力混凝土張拉技術，也需要搭建高支模滿堂鋼管腳手架，綁扎梁板鋼筋，現澆梁、板混凝土。達到強度后張拉框架梁，達到預應力強度拆除鋼管腳手架。3）普通鋼筋混凝土排架結構。采用局部腳手架現澆普通鋼筋混凝土柱，達到強度后，吊裝屋面鋼梁，安裝金屬屋面輕鋼彩板。4）普通鋼框架結構。吊裝鋼框架柱、安裝鋼框架梁及金屬屋面輕鋼彩板。

但是這幾種高架庫結構形式也存在一些不足：1）高支模施工難度大。單層廠房高度為24米，支模高度約22米，屬于高支模體系，梁頂板支撐采用扣件式鋼管腳手架，立桿間距為900mm×900mm，橫桿間距900mm，步距1200mm，為保證高支模平面外整體穩定，在廠房的兩端和中部沿廠房高度還要設置通高的剪刀叉豎向支撐。高支模安裝和拆除存在有較大危險性。為解決施工期間高支模以上結構的承重問題，在鋼管腳手架安裝前應完成300mm厚鋼筋混凝土臨時施工地坪。在行業的建筑中曾發生多起由于腳手架拆除不當造成腳手架倒塌人員傷亡事故。2）建筑施工周期長。鋼管腳手架的安裝和拆除以及300mm厚鋼筋混凝土臨時施工地坪的施工就要多花費數月時間。3）工程造價高。高支模僅腳手架租賃費用就需要增加每天約2元/m2。4）若采用普通鋼框架結構（鋼框架柱、鋼框架梁、板輕鋼彩），雖然能滿足工藝使用要求，但建筑立面效果和建筑材料都很難和工房建筑協調一致，建筑使用壽命上和運維方面也要受到折減。

2 大跨度混合結構框架體系

為了解決以上問題，結合工程項目的實際情況和工藝要求，現提出技術解決方案：大跨度混合結構框架體系。框架柱下部若干層采用鋼筋混凝土柱，框架柱上部若干層采用鋼骨混凝土柱，框架梁采用鋼結構實腹梁。首先施工框架柱，澆筑混凝土至鋼筋混凝土柱與鋼骨混凝土柱交界面處，并在交界面位置預留固定上部鋼骨用的地腳螺栓，再就位鋼骨、綁扎鋼筋、澆筑上部鋼骨混凝土柱混凝土。接著施工鋼框架梁，吊裝鋼結構梁，并在高空與鋼骨柱用高強螺栓連接實現剛性連接節點。鋼筋混凝土屋面可以采用不支模板的壓型鋼板組合樓蓋或鋼筋桁架樓蓋，鋼結構屋面可采用普通輕鋼屋面。圖1為哈爾濱卷煙廠高架庫施工現場照片。

圖1 哈爾濱卷煙廠高架庫施工現場圖

采用大跨度混合結構框架體系可以在以下幾個方面獲得有益效果：1）施工簡單，減少了高支模施工難度。采用大跨度混合結構框架體系后，柱子施工與普通框架柱一樣，鋼框架梁施工采取普通鋼結構施工的整體吊裝，取消了高支模體系每平方米2噸滿堂紅鋼管腳手架的安裝過程和拆除過程，取消了高支模施工方法的專家專題論證。2）簡化了施工方法，縮短了建筑施工周期。本技術取消了高支模體系每平方米2噸滿堂紅鋼管腳手架的安裝過程和拆除過程之后，節約工期60～70天，同時也取消了鋼管腳手架安裝前應完成的300mm厚鋼筋混凝土臨時施工地坪，節約工期約7天，取消高支模施工方法的專家專題論證，節約工期約15天。此外，鋼框架梁整體吊裝施工速度遠遠少于現澆框架梁支模、綁鋼筋籠、澆注混凝土、混凝土養護的施工速度。3）節省了建筑施工工期，降低了工程造價。本技術省去了高支模腳手架每天約2元/m2租賃費、300mm厚鋼筋混凝土臨時施工地坪的施工費和材料費、專題論證會務費以及節省3個月工期所帶來的有效價值。此外，根據不同使用要求梁、柱選用不同建筑材料，降低了運維方面費用。4）降低了施工難度，提高了施工安全度。本技術集鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋼骨混凝土結構三種結構形式為一體，取長補短，有效提高了施工速度，避免了由于腳手架拆除不當造成腳手架倒塌人員傷亡事故發生。

3 新型結構在當前項目中的應用

下面結合以前施工完成的項目舉例來闡述這種新型的結構體系——大跨度混合結構框架體系的受力特點。

黑龍江煙草工業有限責任公司“十一五”哈爾濱卷煙廠易地搬遷技術改造項目的高架庫為單層建筑，建筑物長度為69m，單層層高23m，跨度為27m，具體的結構布置圖見圖2，剖面圖詳見圖3。施工圖設計中梁采用H型鋼梁，截面為H1600mm×450mm×25mm×28mm，屋面板為120mm厚混凝土板，柱在基礎頂面至18.450標高為截面800mm×1000mm的普通混凝土柱，在18.450～坡屋面板頂標高為型鋼混凝土柱，鋼骨為H型鋼，截面為H700mm×450mm×14mm×25mm，鋼骨長度為4550mm。

圖2 高架庫平面布置圖

圖3 高架庫剖面圖

在施工圖設計中采用鋼梁與混凝土柱鋼筋的連接方法。為了實現鋼筋在最上一層混凝土柱內插入鋼骨，與鋼梁坡口溶透焊接。具體的施工圖連接大樣詳見圖4。

圖4 高架庫梁柱連接大樣圖

4 新型結構節點有限元分析研究

根據哈爾濱項目高架庫的新型結構形式，可通過Midas FEA軟件進行節點有限元仿真分析，從而明確鋼梁及柱內鋼骨的截面尺寸的影響因素，進而優化用鋼量，節約工程造價。

1）建立實體模型

首先分別建立混凝土柱、型鋼梁、柱內鋼骨實體模型以及柱內鋼筋的2D模型，再采用布爾運算的并集將型鋼梁與柱內鋼骨形成一個統一的實體，協同受力，然后采用布爾運算的差集將混凝土柱與鋼梁、鋼骨重合部分挖去，這樣就在劃分網格時形成一個在同一節點相同應變的協同變形的單元網格。

2）建立材料特性

分別建立混凝土、鋼材、鋼筋三種材料特性。混凝土采用彈性本構關系GB(RC)_C30，型鋼和鋼筋采用范梅塞斯模型，分別輸入材料的彈性模量、重量密度、泊松比、初始屈服應力等參數。

3）劃分網格

采用自動實體網格工具分別劃分混凝土柱和型鋼等實體單元，根據計算精度以及計算時間需要，可以將單元大小設置為200，并同時把前一階段建立的材料特性賦予單元。由于采用的布爾運算建立的實體，劃分網格時可見在兩種材料接觸處單元劃分是協同的，這樣就可以保證在同一節點的應力應變是相同的。接著采用自動線網格工具劃分鋼筋單元，Midas FEA可以自動將鋼筋與混凝土的變形協同。圖5、圖6是混凝土柱及型鋼的單元劃分。

4）建立邊界條件

可在柱底端建立固結邊界，約束柱底的位移及轉動，模擬基礎對柱的約束。

5）施加荷載

荷載主要有構件自重、屋面板傳來的恒載、活載以及水平和豎向地震作用等。構件自重可以在軟件中設置自動加載。原施工圖設計中板上恒載為6kN/m2，活載2kN/m2，考慮豎向地震系數0.25，可計算得豎向力為0.2162N/mm2。水平地震作用可采用底部剪力法進行簡化計算，加載到柱頭為0.0284N/mm2。

表1 鋼梁應力撓度等與梁柱線剛度比值關系表

圖5 混凝土柱的網格劃分

圖6 型鋼的網格劃分圖

6）結果分析

首先Midas FEA計算時不需要類似PKPM中層的概念，柱子的計算也不需要進行計算長度的修正，可以真實的模擬現實中柱子的受力情況。

經Midas FEA計算首先可以對原施工圖設計中的鋼梁高度進行優化，原設計中鋼梁截面為H1600mm×450mm×25mm×28mm，經計算可以在應力滿足要求的前提下優化到H1300mm×450mm×25mm×28mm。可見這種大跨度重型屋面（120mm混凝土屋面板）的鋼梁在按照強度設計時截面高度可以做到1/20L（L為梁的跨度，1300/27000=1/20.7）左右。

為了更詳細的分析鋼骨長度對鋼梁的影響，優化鋼骨的插入長度，根據不同的柱內鋼骨長度可以得到不同的鋼梁應力及撓度。詳細結果見表1。依據鋼骨柱的插入長度與鋼梁截面高度的比值可以計算出梁柱的線剛度比值。由此可以得出兩者之間的關系表。

再根據鋼梁撓度、主拉應力、主壓應力與鋼骨長度及線剛度的比值的關系及表1中數據可以繪制圖7～圖9。

圖7 鋼梁撓度與梁柱線剛度比關系圖

圖8 鋼梁主拉應力與梁柱線剛度比關系圖

圖9 鋼梁主壓應力與梁柱線剛度比關系圖

由表1及圖7～圖9可以看出，鋼梁的撓度的絕對值、主拉應力、主壓應力的絕對值隨著鋼骨柱的插入深度的減小而增大，且基本均在鋼骨柱插入2倍的梁高時即梁柱線剛度比i柱/i梁在2倍左右時較前一級增大較多，而在插入深度大于2倍以上時鋼梁的應力變形等變化并不大。

由此可見，逐漸的減短鋼骨的插入深度會引起鋼梁的應力變形等向不利方向發展，會產生即使優化了鋼骨的長度卻帶來必須增加鋼梁截面的結果，這樣也不會降低鋼材的用量，達到節約成本的目的。另一方面在保證鋼骨有一定插入深度后再繼續增加鋼骨長度，這時對鋼梁的有利影響并不明顯，會造成鋼骨的浪費。

為了達到一個合理平衡的狀態：既滿足受力計算要求，又節約鋼材的目標，通過表格及圖形，建議這一合理的臨界點在鋼骨柱=2倍的梁高時即梁柱線剛度比i柱/i梁在2倍左右。

5 結 語

1）大跨度混合結構框架體系是一種經濟有效的新型結構體系。目前已成功應用到全國多個大型煙廠的高架庫中，得到了建設單位、施工單位的一致好評，并且已經成為煙草行業一致認可的新型技術，得到了極為廣泛的推廣。

2）大跨度重型屋面結構采用鋼梁時，鋼梁的截面高度可取1/20L（L為梁的跨度），在計算時也不用考慮鋼骨的影響，按照普通鋼梁計算即可。

3）為了實現鋼梁與混凝土柱的剛接，在柱內插入鋼骨的長度建議依據梁柱線剛度的比值i柱/i梁=2來確定。這一結論可以作為鋼梁在柱內的錨固長度這一構造措施實施，在計算中不再考慮鋼骨的影響。

Finite element analysis of new structure beam-column joint in current project

There are many problems in the construction of high-shelf structures in the industry,such as high construction scale,long construction period and high project cost．We propose a wide range of technical solutions that are widely used in tobacco industry projects．System,and the use of finite element analysis of this structural beam-column nodes to draw some useful suggestions．

large span mixed structure frame system；finite element analysis；line stiffness ratio

TU277．9

B

1003-8965(2017)03-0130-04