某鋼結構塔架的穩定性分析及設計優化

王 佳 煒

(貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550081)

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某鋼結構塔架的穩定性分析及設計優化

王 佳 煒

(貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550081)

以云南某宗教建筑為例，采用Midas Gen分析軟件，建立了簡化模型，對該建筑鋼塔結構進行了彈性與穩定性分析，并根據分析結果，提出了該結構的優化建議，從而確保塔架的安全性。

宗教建筑，鋼塔架，彈性分析，穩定性

1 工程概況

本項目為云南某地一宗教建筑，屋頂鋼結構的造型為設計的一大亮點，充分的體現了該宗教建筑的特點。該工程建筑總面積為5 531 m2，22.500 m標高以下為鋼筋混凝土框架結構，22.500 m標高以上為鋼塔架結構，鋼塔架高24.6 m(塔頂距±0.000標高47.1 m)，具體情況見圖1。該項目建設地點抗震設防烈度為7度，故下部混凝土框架結構抗震等級為三級，鋼塔架結構抗震等級為四級。

鋼塔架為Q235的無縫鋼管焊接而成，外裝采用鋁單板和玻璃幕墻實現建筑效果。其中鋼塔架結構主要由豎向構件、環向橫隔、腹桿三部分組成。豎向構件分別由6根φ219×14鋼管從22.500 m標高直至塔頂通過焊接球合并為塔尖，由5根φ219×14鋼管根據正立面造型搭建而成，由于背立面存在折面又增加了2根φ219×14鋼管，作為折面的脊線。環向橫隔有閉合和開口兩種，其中22.500 m和27.300 m標高處為開口環向橫隔，規格均為φ194×12；32.100 m和40.670 m處為閉合橫隔，規格分別為φ180×12和φ159×10。腹桿主要尺寸為φ108×6，個別應力比較大的位置選用φ159×10。鋼塔架豎向構件和環向橫隔用鋼量為18.8 t，腹桿用鋼量為6.3 t。鋼塔結構布置如圖2所示，圖中粗實線表示豎向構件，粗虛線表示環向橫隔，細線表示腹桿。約束支座共10個，圖2中均有標注。由于塔架平面關于Y軸對稱，左右側立面結構布置相同，故圖2中僅表達了正、背、側三個立面。由塔架俯視圖可清晰分辨出，塔架的結構布置關于Y軸對稱，根據造型的需要，X軸兩邊的結構布置有較大的差異，具體情況見圖3。

2 分析思路

本文采用分析軟件Midas Gen來完成鋼塔結構的力學性能及整體穩定性分析，對于框架結構而言，框架柱的計算長度僅受周邊梁柱的線剛度比影響，而該塔架結構塔柱計算長度的確定則比較困難，塔架平面的形狀、邊界約束條件、環向橫隔、荷載條件等眾多因素對某一根塔柱的計算長度均有干擾，若從整體模型中單獨提取某根塔柱建立一個準確的局部模型來考慮比較麻煩，結合本工程的建筑體量，從設計角度出發，本工程采用整體模型分析。

2.1 簡化模型

由于腹桿對主體的剛度和穩定性都有一定的貢獻，從簡化、安全的角度下考慮，在整體模型中僅建立豎向桿件和環向橫隔，忽略腹桿的貢獻?？紤]到外裝自重和風荷載受荷面的問題，分析模型中腹桿之間設置了彈性模量為零，自重為1.5 kN/m2的虛板。虛板不僅模擬了建筑的自重，還有效的將風荷載傳遞到桿件節點上。根據邱暉、付舉宏等[1]對位移邊界條件的研究，表明塔架結構下部鉸接、上部自由時，塔柱的計算長度略大，因此本工程的位移邊界條件就按此考慮。

2.2 荷載取值

按簡化模型的思路，結合虛板所考慮的外裝飾自重，分析軟件將結構所有自重考慮為恒載工況。由于鋼塔架關于Y軸對稱，風荷載分別考慮了三個方向的來風，即正立面、背立面和側立面方向的風荷載，在此分別將三個方向的來風定為WY1,WY2,WX。因此，該模型的荷載組合考慮為1.2×恒荷載(自重)+1.4×風荷載(分別考慮不同方向)+0.98活荷載。

2.3 分析過程

3 分析結果

通過前文所述的內容，在幾何非線性中按位移控制法，分別求出三個來風方向所組合的荷載工況，在合適的節點最大位移控制下可得到位移拐點，此時即求出極限荷載系數，出現位移拐點的位移曲線圖如圖4所示。

現將彈性分析和結構穩定性分析的結果羅列如表1所示，特別需要說明的是表1中數據是通過多次計算調試，分別對豎向構件和環向橫隔的構件大小進行了優化，對位移邊界條件進行了調整后確定的最終分析結果。表1中最大應力及位移是基于彈性分析下的結果，為設計提供復核依據。極限荷載系數是基于幾何非線性下進行屈曲分析所求得的，旨在表征結構整體穩定安全的量值標準。

表1 分析結果

4 設計優化

該工程通過前期所做的分析工作，經過對分析模型的調試，對分析結果的判斷。為后續的設計提供了支撐，在此重點介紹該工程的兩處優化內容。

1)該工程在設計之初，僅考慮了支座-1未考慮支座-2(如圖2所示)，在后續分析的結果中觀察到27.300m標高處的環向橫隔應力較大，查看其彈性屈曲模態下的動畫此處變形明顯較大。究其原因，環向橫隔對鋼塔架的整體穩定性有較大的貢獻，文獻[1]對此也有研究，加之此處環向橫隔并未閉合，無形中就使此處成為了一個薄弱點，為彌補該環向橫隔的不足，考慮在橫隔開口的兩端增設一個X,Y方向的約束即為支座-2。最終不僅解決了該環向橫隔及周邊腹桿應力及位移較大的問題，同時還有效的提高了結構的整體穩定性。2)基于前文所述，在增設位移邊界約束條件的前提下，結合彈性分析和結構整體穩定性分析的結果。本工程在3D3S軟件中初算時，豎向構件定為φ293×16，以現階段的分析結果作為優化設計的支撐，可將此規格的桿件優化為φ219×14的桿件，可在滿足結構安全的前提下節約一定的用鋼量。

5 結語

1)鋼塔架不便于單獨考慮某根構件的計算長度，分析過程中可根據工程的實際情況考慮對整體模型的簡化或局部模型來做屈曲分析，以此確定塔架的整體穩定性能。2)環向橫隔對結構整體穩定性能的貢獻顯著，建議盡量做強橫隔，條件允許的情況下應環向閉合，若不能閉合應采取措施。3)通過穩定性分析，獲得鋼塔架整體模型中最不利荷載工況下的極限承載力。極限狀態時最不利水平風荷載為設計值的19.5倍。

[1] 邱 暉,付舉宏.基于彈性屈曲理論的正多邊形鋼塔架計算長度的研究[J].特種結構,2015(4)：20-22.

[2]GB50017—200X，鋼結構設計規范(送審版)[S].

[3]GB50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4] 郭彥林,劉祿宇.廣州新電視塔細腰段整體模型穩定性試驗研究[J].土木工程學報,2008,41(8)：66-68.

[5] 陳紹蕃.鋼結構穩定設計指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

Thestabilityanalysisandoptimizationdesignofasteelstructuretower

WangJiawei

(GuizhouArchitecturalDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Guiyang550081,China)

Taking a religious building in Yunnan as an example, using Midas Gen analysis software, this paper established the simplified model, made elastic and stability analysis on the building steel structure, and according to the analysis results, put forward the optimization suggestions to the structure, so as to ensure the safety of the tower.

religious building, steel tower, elastic analysis, stability

1009-6825(2017)12-0047-02

2017-02-11

王佳煒(1987- )，男，工程師

TU391

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