基于STAAD.Pro和SSDD的大跨度鋼桁架三維有限元分析

刁慧賢 宋浩靜 凡 威 任威威

(1.中國電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450000; 2.河南廣播電視大學(xué)鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1 概述

國外某電廠的三條取排水管線在某處需跨越一條地埋天然氣管道和一條約4 m寬的道路。該處取排水管采用架空布置，由于征地權(quán)限問題，中間區(qū)域不能設(shè)置支座。設(shè)計(jì)考慮采用一跨為30 m的鋼結(jié)構(gòu)桁架支撐取排水管跨越天然氣管道及道路，具體見圖1。

PKPM和世紀(jì)旗云等軟件通常只能計(jì)算平面鋼結(jié)構(gòu)桁架[1]，而STAAD.Pro是近年來工程中常用的三維有限元分析軟件，它界面清晰、建模方便，計(jì)算快捷，后處理不僅能輸出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形結(jié)果，還可以結(jié)合SSDD軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范上要求的各個(gè)控制條款進(jìn)行中國規(guī)范檢驗(yàn)，相比平面桁架計(jì)算能更準(zhǔn)確的模擬實(shí)際工況。本文采用STAAD.Pro和SSDD軟件對(duì)上述30 m大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架進(jìn)行三維有限元應(yīng)力變形分析及規(guī)范檢驗(yàn)，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架的設(shè)計(jì)和研究提供一定的理論支持。

2 建模計(jì)算

2.1 建立模型、指定構(gòu)件、設(shè)置支座

各構(gòu)件截面如表1所示，桁架平、立面圖如圖2，圖3所示。在STAAD.Pro中建立模型并將所有的豎桿及斜桿指定為桁架構(gòu)件(軸心受力構(gòu)件)。鋼結(jié)構(gòu)桁架3D模型如圖4所示。

考慮柱下端為固定支座，將柱下8個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置固定支座。

表1 桁架構(gòu)件截面特性

2.2 荷載工況

2.2.1基本荷載工況

幾何模型建立完成之后，添加基本荷載工況，施加在桁架構(gòu)件上的基本荷載取值如表2所示。

表2 基本荷載工況取值

2.2.2組合荷載工況

根據(jù)SSDD中菜單“建模—一般結(jié)構(gòu)荷載向?qū)АM合工況—增加自動(dòng)組合”。程序會(huì)自動(dòng)根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)及GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范生成所有控制內(nèi)力及位移的荷載組合。組合值系數(shù)如表3所示。

表3 荷載組合系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

添加“perform analysis”命令進(jìn)行分析計(jì)算，各構(gòu)件計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

3.1.1柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

柱最大、最小內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表4所示，基于此結(jié)果可以進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)。

表4 柱最大、最小內(nèi)力

3.1.2上、下弦桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

上、下弦桿最大、最小內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 上、下弦桿最大、最小內(nèi)力

3.1.3橫擔(dān)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

橫擔(dān)最大、最小內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 橫擔(dān)最大、最小內(nèi)力

3.1.4軸心受力桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

軸心受力的斜桿及豎桿最大、最小內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 軸心受力桿最大、最小內(nèi)力

基于上述內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)行鋼構(gòu)件間的節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)。

3.2 位移計(jì)算結(jié)果

3.2.1結(jié)構(gòu)位移變形圖

荷載工況128：1.0DL+1.0LL+1.0EX+0.2WF(其中DL指恒荷載，LL指活荷載，EX指x方向地震水平力，WF指前風(fēng)荷載)是控制位移的典型工況之一，工況128條件下的結(jié)構(gòu)位移變形以1∶1 000比例顯示,如圖5所示。該工況下最大位移為6.76 mm，發(fā)生在第47號(hào)節(jié)點(diǎn)處。

3.2.2層間相對(duì)位移

添加“Print story drift”命令，輸出結(jié)構(gòu)的相對(duì)層間位移，最大值如圖6所示。

如圖6所示，該鋼結(jié)構(gòu)桁架最大相對(duì)層間位移為L/1 032。根據(jù)GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，相對(duì)層間位移限值為L/400，L為層高[2]。故該鋼結(jié)構(gòu)桁架層間位移滿足規(guī)范要求。

3.3 普鋼規(guī)范檢驗(yàn)

分別指定材料設(shè)計(jì)參數(shù)、構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)，然后進(jìn)行普鋼規(guī)范檢驗(yàn)。檢驗(yàn)條款如表8所示，檢驗(yàn)結(jié)果以應(yīng)力比的形式體現(xiàn)，如圖7所示。應(yīng)力比是規(guī)范檢驗(yàn)相關(guān)的系數(shù)，為各檢驗(yàn)條款實(shí)際值與限值的比值。每個(gè)構(gòu)件應(yīng)力比大于1.00，表示構(gòu)件破壞，應(yīng)力比小于0.30，表示構(gòu)件過于安全，應(yīng)力比處于0.30～1.0之間，表示構(gòu)件截面通過檢驗(yàn)，既不破壞也不過于浪費(fèi)。結(jié)果顯示，該鋼結(jié)構(gòu)桁架各構(gòu)件均通過所有檢驗(yàn)條款，無破壞構(gòu)件、無過于安全構(gòu)件。

表8 普鋼規(guī)范檢驗(yàn)條款

4 結(jié)語

本文以30 m跨度的鋼結(jié)構(gòu)過路桁架為例，基于STAAD.Pro和SSDD軟件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維有限元應(yīng)力變形分析，并對(duì)規(guī)范上要求的所有條款基于中國規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)。計(jì)算過程簡(jiǎn)單方便，輸出結(jié)果清晰明了，可靠度較高。計(jì)算過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)桁架模型中的斜桿和豎桿為軸心受力構(gòu)件，建模過程中應(yīng)進(jìn)行約束釋放或?qū)⒃摌?gòu)件指定為桁架構(gòu)件。

2)建模過程中應(yīng)注意構(gòu)件的放置方向是否跟主受力方向一致，若不一致，應(yīng)對(duì)構(gòu)件指定合適的Beta角，調(diào)整至與主受力方向一致。

3)進(jìn)行普鋼規(guī)范檢驗(yàn)設(shè)置構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，應(yīng)分清各構(gòu)件的構(gòu)件類型。這一步是構(gòu)件正確進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)的前提。