箱型鋼平臺力學性能數值分析

徐衛敏,何剡江

(1.浙江建設職業技術學院,浙江 杭州 311231; 2.中國美術學院風景建筑設計研究院總院, 浙江 杭州 310012)

隨著國內高層和超高層鋼結構建筑的迅速發展,各種異形結構層出不窮,對結構設計提出了新的挑戰。某擬建空中酒店工程中,利用箱型鋼平臺將下部不規則布置的格構柱群與上部巨型空間桁架進行剛性連接。此做法在國內較為罕見,鮮有相應的研究成果及可借鑒的實踐經驗。類似的案例僅在塔吊基礎[1],以及高層、超高層建筑的核心筒施工[2]中出現,但與本文的鋼平臺受力及設計要求差異較大,不適合作為參考。箱型鋼平臺處于荷載傳遞路徑上的關鍵節點,對整體結構承擔豎向力以及水平力均發揮著重要的作用。

1 工程概況

本工程研究的箱型鋼平臺源于一幢擬建的高層空中酒店,該酒店主體位于4組31.3 m高的不規則布置的格構式柱群之上。上部主體為由四層帶支撐的鋼框架組成的“巨型橫梁”,格構式柱群與上部“巨型橫梁”之間通過箱型鋼平臺剛性連接。 鋼平臺高1.2 m,上下蓋板厚22 mm, 內部設16 mm厚縱橫交錯豎隔板。結構整體效果圖見圖1。為提高下蓋板的局部屈曲穩定性,下蓋板底面設置正交布置的短加勁肋。“巨型橫梁”的豎桿支座與鋼平臺頂面直接焊接,并在鋼平臺內部豎隔板設加勁肋。

圖1 結構整體效果圖

箱型鋼平臺在整個結構中起到承上啟下的作用,由于下部柱網不規則分布且與上部柱網并不對應,導致其受力狀態較為復雜。

2 數值分析模型

2.1 分析軟件

為評價鋼平臺在上部荷載作用下的應力水平,選用有限元軟件SAP2000 V14對所有鋼平臺進行了應力分析,同時采用ANSYS 10.0對鋼平臺進行補充分析,驗證SAP2000的計算結果。結構整體模型分解圖見圖2、圖3。由于篇幅限制,本文以鋼平臺(圖3)的應力結果為例進行分析,鋼平臺布置見圖4。

2.2 有限元模型

在SAP2000整體計算模型中,為充分考慮鋼平臺與上下結構之間變形協調對內力的影響,在整體模型中真實反映了鋼平臺的有限元實體模型。同時，為減少計算量,避免單元過度細分導致計算上的不收斂,故對與鋼平臺連接的鋼柱進行適當的簡化。其中上部結構的柱子簡化為桿單元,荷載以集中力的方式作用在鋼平臺節點處, 下部圓鋼柱與鋼平臺連接局部區段采用多邊形離散的殼單元模擬,其余部位采用桿單元模擬。鋼平臺模型見圖5～7。

圖2 結構整體模型分解圖

圖3 柱群頂部鋼平臺布置圖

圖4 鋼平臺4布置圖

圖5 SAP2000中的有限元模型

圖6 ANSYS中的有限元模型

圖7 ANSYS中有限元模型細部網格

在ANSYS計算模型中,單獨對鋼平臺及其相連的鋼柱進行重新建模計算,為避免應力集中,所有構件均采用殼單元SHELL43進行模擬。計算時,對上部結構傳至短柱的荷載根據短柱上的節點數進行離散,以節點力的方式均勻加載到各節點上。邊界條件通過對下部圓管柱的下邊界各節點施加鉸支座的方式模擬。

在結構的整體分析中,利用兩個軟件進行對比分析,考慮了水平和豎向地震作用、風荷載以及豎向荷載等作用力對結構的影響,分析了結構的整體性指標,如周期比、剪重比、層位移比等均符合規范要求,且兩個軟件的計算結果基本吻合。鋼平臺的分析比較中,荷載按1.2D+1.4L的基本組合值考慮。

3 鋼平臺蓋板及腹板數值計算結果與分析

3.1 上蓋板計算結果

1)SAP2000計算結果，見圖8、圖9。

圖8 上蓋板應力分布-1

圖9 上蓋板應力分布-2

2)ANSYS計算結果，見圖10、圖11。

圖10 上蓋板應力分布-3

圖11 上蓋板應力分布-4

3.2 下蓋板計算結果

1)SAP2000計算結果，見圖12、圖13。

圖12 下蓋板應力分布-1

圖13 下蓋板應力分布-2

2)ANSYS計算結果，見圖14、圖15。

圖14 下蓋板應力分布-3

圖15 下蓋板應力分布-4

3.3 腹板計算結果

腹板計算結果見圖16～20。

圖16 腹板應力分布-1

圖17 腹板應力分布-2

圖18 腹板應力分布-3

圖19 X向主要腹板水平向正應力分布

圖20 Y向主要腹板水平向正應力分布

3.4 計算結果分析

通過對鋼平臺的應力計算和分析,結果如下：

1) 通過對比ANSYS與SAP2000中計算的結果可知,除局部因計算模型簡化造成的應力集中外,兩個分析軟件計算的結果在總體應力水平上基本保持一致,應力云圖分布相似,層次分明,符合其受力形態,SAP2000計算結果能夠有效地評價鋼平臺受力情況。

2) 鋼平臺各類板件大部分區域均處于較低的應力水平,一般不超過50 MPa,有比較大的安全儲備,可以分區域進行適當優化。

3)上部短柱與鋼蓋板連接處以及圓管柱與蓋板、腹板連接處應力較為復雜,存在一定應力集中區域,但仍處于彈性狀態。

4)鋼平臺的設計方案能夠滿足傳遞上部結構荷載的需要。

4 結 語

本文對箱型轉換平臺這類受力復雜的重要部位進行多軟件(ANSYS和SAP2000)細部分析與比較,結果發現,在荷載基本組合的工況下,本工程鋼平臺的設計方案有合理的承載力富裕和較高的剛度,能滿足結構受力要求,也能保證節點承載力。在下一階段的研究中,我們將進行更多組合工況下的計算分析,對鋼平臺的布置和構件截面進行優化設計。

[1] 劉瑞武, 金虎, 吉紅波,等.塔吊底座與鋼結構轉換平臺栓焊混合連接設計[J].浙江建筑,2015,32(6): 9-12．

[2] 龔劍, 趙傳凱, 崔維久. 風荷載作用下核心筒對整體鋼平臺的影響分析[J].施工技術,2015, 44(8): 21-24．