圓鋼管柱L型鋼框架結構的設計與分析

對某項目圓鋼管柱L型鋼框架結構進行設計，而后通過有限元專業(yè)軟件SAP2000對其進行數(shù)值仿真模擬，從結構設計方案、自振周期及振型、結構位移、鋼構件應力比等方面對鋼框架結構進行了強度和變形分析。由分析的結果可知：結構的第一振型周期為0.45 s，絕大多數(shù)位置構件的應力比控制不超過0.7，受力最大位置處應力比約為0.754；在恒荷載及活荷載作用下框架梁的最大豎向位移為19.6 mm，約為跨度的1/612，小于規(guī)范容許值1/400。結構的強度和撓度均滿足要求，結構設計合理。

L型鋼框架結構； 數(shù)值模擬； 圓鋼管柱； 設計與分析

TU392.3A

［定稿日期］2023-03-23

［基金項目］黔東南州科技計劃項目（項目編號：黔東南科合J字［2022］61號）、貴州省科技計劃項目（項目編號：黔科合基礎［2019］1288號）、貴州省教育廳高等學校科學研究項目（項目編號：黔教科［2022］372號）

［作者簡介］邵建華（1979—），男，博士，教授，從事鋼結構理論研究工作。

［通信作者］王振田（1984—），男，本科，高級工程師，從事土木工程施工工作。

0 引言

鋼框架結構是以鋼材為主要構件的結構，是重要的建筑類型。鋼材具有幾點特點：①鋼材質量輕，方便吊裝施工；②鋼材可塑性強，可以適應多種不同環(huán)境而靈活組裝；③鋼材強度高，具有良好的抗震性能；④鋼結構建筑在施工過程中安裝方便，施工效率高。因此，鋼框架結構廣泛應用于在多層民用建筑［1-2］。

1 項目背景

本工程為圓鋼管柱L型鋼框架結構，此設計不僅要滿足結構剛度高、整體性強，又要有較高的抗震性能，可以承受各種不同類型的荷載。

通過對圓鋼管柱L型鋼框架結構進行方案設計，利用有限元專業(yè)仿真軟件SAP2000對其精準數(shù)值建模和仿真計算，從結構設計、自振周期及振型、結構位移、構件應力比、典型連接節(jié)點驗算等五個方面對鋼結構框架進行強度與變形分析。

2 計算模型

該工程占地面積為351.5 m2，長50.088 m，寬31.279 m，最大距地面高度為9.38 m，圓鋼管柱L型鋼框架結構的平面布置如圖1所示。

通過SAP2000數(shù)值分析軟件，建立項目模型并設置邊界約束條件，進行結構數(shù)值仿真計算與分析，有限元模型如圖2所示。

設計荷載是結構設計的關鍵，荷載計算的準確性將直接影響結構的安全性和經(jīng)濟性［3］。本項目有較高的抗震性能要求，需要考慮各種不同設計荷載的荷載效應組合，如表1所示［4-6］。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 自振周期與振型

利用有限元軟件對結構進行數(shù)值計算與分析，可得到結構模型的自振周期和振型模態(tài)。結構的前6階自振周期見表2。

3.2 構件應力比

在各種荷載工況組合條件下，進行結構計算模型的構件設計承載力能力驗算后，構件整體的應力比如圖3所示。

使用SAP2000進行受力分析，結果表明，結構構件能夠滿足最大承載力要求，其中絕大多數(shù)位置應力比控制不超過0.7，受力最大位置處應力比約為0.754，滿足強度要求。

3.3 結構位移

3.3.1 豎向位移

整個框架在恒載和活載作用下框架梁的豎向最大位移分別為15.4 mm和6.3 mm，為其跨度的1/779和1/1904；恒載及活載作用下的最大位移為19.6 mm，為跨度的1/612，小于規(guī)范容許值1/400，滿足撓度要求。結構在恒載和活載下的結構位移如圖4所示。

3.3.2 水平位移

結構設計水平荷載主要為風荷載和地震荷載。通過整體結構的有限元計算分析可知，在X向和Y向風荷載作用下，柱頂?shù)淖畲笏轿灰品謩e為結構高度的1/1142和1/779；在X向和Y向地震荷載作用下，結構的最大水平位移分別為層高的1/714和1/536，表明結構在風荷載和多遇地震作用下彈性層間位移均小于規(guī)范的容許變形值1/250，滿足撓度要求。結構的整體變形分別如圖5和圖6所示。

3.4 梁柱節(jié)點強度驗算

連接螺栓選用10.9級摩擦型高強度螺栓，螺栓直徑為M22，預拉力P=190 kN，摩擦面的抗滑移系數(shù)μ=0.35，腹板連接板為雙面。

單個高強螺栓的抗剪承載力設計值為：

Nbv=0.9 nfμP=0.9×2×0.35×190=119.7 kN

選取典型的梁柱連接節(jié)點，如圖7所示。最不利內力組合下該節(jié)點所受的彎矩為Mmax=178 kN·m，剪力為Vmax=91 kN。

設計時，為了結構安全考慮，梁柱連接節(jié)點所受的剪力僅由梁腹板處的螺栓承擔，則高強螺栓的抗剪承載力驗算為：

Nv=119.7×8=957.6 kNgt;91 kN，滿足要求。

雙面連接板凈截面抗剪承載力驗算：

V=（325-24×4）×24×175×10-3=961.8 kNgt;91 kN，滿足要求。

設計時，為了結構安全考慮，梁柱連接節(jié)點所受的彎矩僅由梁上、下翼緣處的對接焊縫承擔，則梁翼緣處焊縫的抗彎承載力驗算：

M=12×200×305×（450-12）×10-6=320.6 kN·mgt;178 kN·m，滿足要求。

4 結論

本文對L型鋼框架結構進行設計與有限元軟件數(shù)值建模分析之后，得到結論：

（1）絕大多數(shù)位置構件的應力比控制不超過0.7，最大的應力比約0.754。在恒荷載及活荷載作用下框架梁的最大豎向位移為19.6 mm，約為跨度的1/612，小于規(guī)范容許值1/400。結構受荷載作用下的強度和變形均能滿足相關規(guī)范設計要求，說明該異型鋼結構框架安全可靠。

（2）本項目為L型異型結構，采用圓鋼管柱梁節(jié)點不僅連接方便和外形美觀，還能有效滿足整體框架的力學性能需求，可為同類型異型鋼框架結構設計提供參考。

參考文獻

［1］ 曹萬林，武海鵬，周建龍.鋼-混凝土組合巨型框架柱抗震研究進展［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2019，51（12）：1-12.

［2］ 鄭毅敏，孫華華，趙昕，等.大跨度高空鋼結構連廊的有限元模型修正［J］.振動工程學報，2009，22（1）：105-110.

［3］ 常瀚，郭正興，胡明坡，等.30m跨鋼連廊整體提升施工技術［J］.施工技術，2009，38（10）：18-20.

［4］ 工程結構通用規(guī)范：GB 55001-2021［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2021.

［5］ 建筑抗震設計規(guī)范：GB 50011-2010［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］ 鋼結構設計標準：GB 50017-2017［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.