1、某鋼板格構(gòu)式梁柱結(jié)構(gòu)承載力分析摘要：某玻璃幕墻支承鋼結(jié)構(gòu)采用鋼板格構(gòu)式梁柱體系，該類結(jié)構(gòu)存在 顯著的平面外穩(wěn)定承載力弱的特點(diǎn)，且在國內(nèi)少有應(yīng)用。討論現(xiàn)行GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)公式對于本工程格構(gòu)式構(gòu)件的適 用性。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到結(jié)構(gòu)的動力特性、屈曲極限荷載等， 為該類結(jié)構(gòu)的研究及設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：鋼板格構(gòu)式；模態(tài)分析；屈曲分析1工程概況某項(xiàng)目采光頂幕墻采用鋼板格構(gòu)式梁柱體系作為其支承結(jié)構(gòu)，該結(jié) 構(gòu)支承于混凝土主體結(jié)構(gòu)上。該鋼結(jié)構(gòu)平面投影尺寸為長20 m、寬 12.45 m，高8.47 m，頂面距室外地面18.17 m。該結(jié)構(gòu)由13棉主受力 剛架、2棉邊相剛架及

2、一系列次梁、連系梁構(gòu)成。結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示，單棉主受力剛架如圖2所示，各構(gòu)件截 面尺寸如表1所示。圖1幕墻支承鋼結(jié)構(gòu)三維模型本文的鋼板格構(gòu)式柱如圖3所示。鋼板格構(gòu)式柱均為壓彎構(gòu)件，這 種構(gòu)件只有橫綴條，沒有斜綴條，應(yīng)該按照綴板柱來計(jì)算穩(wěn)定。根據(jù)GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第8.4. 1條，綴板柱中同一截面處綴板 的線剛度之和不得小于柱較大分肢線剛度的6倍1。取綴板間距為1.2 m處的截面進(jìn)行驗(yàn)算?！? 45。1 900 御甲5（呷5（）0I 5叫I祝）55011-鋼柱；2-主梁圖2主受力剛架示意表1構(gòu)件截面尺寸mm構(gòu)件截面類別尺寸主梁鋼板格構(gòu)式360X45（寬度X厚度）鋼柱鋼板

3、格構(gòu)式360X45（寬度X厚度）鋼次梁鋼板格構(gòu)式360X30（寬度X厚度）連系梁圓鋼管65. 5X5.5箱形梁箱形800X 600X22X22箱形柱箱形400X 600X 16X16構(gòu)件截面類別尺寸主梁鋼板格構(gòu)式360X45(寬度X厚度)鋼柱鋼板格構(gòu)式360X45(寬度X厚度)鋼次梁鋼板格構(gòu)式360X30(寬度X厚度)連系 梁圓鋼管?65.5X5.5箱形梁箱形800X600X22X22箱形柱箱形400X 600X16X16您會要飲您會要飲圖3鋼板格構(gòu)式構(gòu)件示意綴板的線剛度(c=270 mm):El(1)柱較大分肢線剛度：._ E1I 1 200(2)ibi1，顯然，本文的格構(gòu)式柱不滿足GB 5

4、0017-2003中關(guān)于綴板 式格構(gòu)柱的構(gòu)造要求。GB 50017-2003中關(guān)于綴板柱換算長細(xì)比的計(jì)算公式5.1.3-1為針對 傳統(tǒng)的兩側(cè)有綴板的格構(gòu)柱推算得來，而本文的鋼板格構(gòu)式構(gòu)件截面僅 有1塊綴板。GB 50017-2003第5.2.3條規(guī)定，格構(gòu)式壓彎構(gòu)件彎矩作用平面外的 整體穩(wěn)定性可不計(jì)算，但應(yīng)計(jì)算分肢的穩(wěn)定性1。GB 50017-2003涵蓋 的構(gòu)件截面類型有L形、工字形、箱形、管形等，沒有此類板式構(gòu)件穩(wěn) 定性計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容。本文的鋼梁開長度近1m的孔，開孔長度遠(yuǎn)超常規(guī)開孔長度最大為 1.5倍梁高的做法，開長孔會對構(gòu)件產(chǎn)生較大的削弱，構(gòu)件、整體結(jié)構(gòu)的 強(qiáng)度和剛度會大幅下降，對此類

5、構(gòu)件的計(jì)算方法，GB 50017-2003也沒有 相關(guān)內(nèi)容。綜上所述，本工程所用梁柱體系，均不適用于GB 50017-2003的分 析公式。本文采用數(shù)值分析方法，對該結(jié)構(gòu)的主受力剛架進(jìn)行自振特性分 析、靜力求解、特征值屈曲分析、非線性屈曲分析，得到主受力剛架的 振動模態(tài)、屈曲模態(tài)、極限承載力，為該類結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)提供參 考。2有限元模型2.1有限元幾何模型的建立本文采用有限元分析軟件ANSYS 12.0對主受力剛架進(jìn)行數(shù)值模擬。 各構(gòu)件鋼材材質(zhì)均為Q235B，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為200 MPa，假定材料為理想彈塑性雙線性隨動強(qiáng)化模型，采用von Mises屈服準(zhǔn)則和隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則，彈性模量E=206

6、GPa，泊松比u=0.3o采用殼單元Shell 181模擬主受力剛架。約束柱腳的X、Y、Z向位 移；約束連系梁位置處柱肢的側(cè)向位移即Z向位移。采用APDL參數(shù)化語 言編寫命令流文件，主受力剛架定義截面并劃分單元網(wǎng)格后的ANSYS模 型如圖4所示。圖4主受力剛架有限元模型2.2荷載取值1）恒載。本工程結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)，承受的恒載包括構(gòu)件自 重和玻璃幕墻的重量。結(jié)構(gòu)自重通過定義重力加速度施加。玻璃幕墻的 重量：立面，0.5 kN/m2 ；屋面，0.7 kN/m2。2）活荷載。不上人屋面活荷載為0.5 kN/m2o3）風(fēng)荷載?；撅L(fēng)壓0.3 kN/m2。由于本工程結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻支承結(jié) 構(gòu)，故按

7、照圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。據(jù)GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范2中公式8.1.1-2,迎風(fēng)面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk=8 gzuslu zw0=1.641X1.0X1.19X0.30=0.59 kN/m2,背風(fēng)面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn) 值 wk=6gzuslu zw0=1.641 X (-0.6) X1.19X 0.30=-0.35 kN/m2，頂面 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 wk= Pgzuslu zw0=1.641 X (-2.0) X1.19X0.30=-1.2 kN/m2；其中，8gz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)；usl為局部風(fēng)壓體型系 數(shù)；uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。3動力分析通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)

8、行自振特性分析及后處理，得到前3階固有頻率，如 表2所示。前3階振型如圖5-圖7所示,結(jié)構(gòu)第1振型為平面內(nèi)振動。表2結(jié)構(gòu)固有頻率Hz振型階數(shù)固有頻率4,846 921. 振型階數(shù)固有頻率4,846 921. 349振型階數(shù)固有頻率14.8469214.114321.349圖5第1階結(jié)構(gòu)振型自振特性分析用于確定結(jié)構(gòu)振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型， 它們是承受動力荷載作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)3。4靜力求解對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力求解，在后處理模塊中對各工況結(jié)果進(jìn)行組合。1）組合1： 1.2恒載+1.4活載；2）組合2： 1.2恒載+1.4活載+1.4X0.6風(fēng)載；3）組合3： 1.2恒載+1.4X0.7活

9、載+1.4風(fēng)載；4）組合4： 1.35恒載+1.4X0.7活載；5）組合 5： 1.35 恒載+1.4X0.7 活載+1.4X0.6 風(fēng)載。各荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移結(jié)果如表3所示。表中應(yīng)力為von Mises應(yīng)力，位移為空間位移。表3靜力求解的應(yīng)力及位移結(jié)果組合序號最大應(yīng)力/MPh最大位移/mm組合125. 72. 977組.245. 73, 772組合356. 47. 027組合425. 22 921組合545. 23. 79。組合序號最大應(yīng)力/MPa最大位移/mm組合125.72.977組合245.73.772 組合 356.47.027 組合 425.22.921 組合 545.

10、23.790由表3結(jié)果可見，在各個荷載組合作用下，主受力剛架的應(yīng)力、位 移均能滿足要求。5特征值屈曲分析本文求解在自重、風(fēng)荷載作用下“恒載+活載”的屈曲荷載，即自 重、風(fēng)荷載為一定值，僅僅求解結(jié)構(gòu)屈曲時“恒載+活載”的取值4。 本文采用的實(shí)現(xiàn)方法為：保持自重、風(fēng)荷載不變，同比例不斷調(diào)整所施 加的恒載、活載，通過迭代求解使得屈曲荷載系數(shù)等于1.0，此時的荷載“自重+風(fēng)載+增大后的恒載、活載”即為結(jié)構(gòu)屈曲時的荷載，即：屈曲 荷載=1.0X自重+風(fēng)載+K特X（恒載+活載）。其中，K特為“恒載+活 載”的屈曲系數(shù)，增大后的“恒載+活載”與“恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)值”之 比。如果要考慮2階屈曲荷載，同樣采用迭代

11、求解使得2階屈曲荷載系 數(shù)為1.0（此時1階屈曲荷載系數(shù)不等于1.0），以此類推，求得前3階屈 曲系數(shù)K特如表4所示。表4前3階屈曲模態(tài)對應(yīng)的屈曲系數(shù)階數(shù)“恒載+活載”的屈曲系數(shù)K特1101.6672126.8243144.6986非線性屈曲分析采用主受力剛架的第1階屈曲模態(tài)作為初始缺陷分布模態(tài)。第1階本文求解在自重、風(fēng)荷載作用下“恒載+活載”的屈曲荷載，即自重、風(fēng)荷載為一定值，僅僅求解結(jié)構(gòu)屈曲時“恒載+活載”的取值。本文 采用的方法為：多荷載步非線性分析。第一個荷載步的荷載為各個工況 荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；第二個荷載步為在第一個荷載步的基礎(chǔ)上，逐漸增加 “恒載+活載”的值，直到求解得到使結(jié)構(gòu)開始變得

12、不穩(wěn)定時的臨界荷 載，即：臨界荷載二1.0X自重+風(fēng)載+KX(恒載+活載)，其中，K為安全 系數(shù)。非線性屈曲分析過程中，各個荷載子步時，“恒載+活載”與“恒載 +活載標(biāo)準(zhǔn)值”之比稱為“恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)值”的荷載系數(shù)，以下簡稱荷 載系數(shù)。荷載系數(shù)的大小，直接反映結(jié)構(gòu)上所作用荷載的大小。以梁跨 中位移最大點(diǎn)Y向位移的絕對值為橫坐標(biāo)，以荷載系數(shù)為縱坐標(biāo)，得到 荷載系數(shù)-位移曲線如圖9所示。20- TOC o 1-5 h z 15-/10=/S- /0- i HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 05()10015020t位移/mm圖9荷載系數(shù)-位移曲線由圖

13、9可知，第一個荷載步，即荷載系數(shù)為1時，梁跨中節(jié)點(diǎn)的位 移很小，幾乎為零；荷載系數(shù)不斷增大到15的過程中，梁跨中節(jié)點(diǎn)的位 移呈線性增長；隨后梁跨中節(jié)點(diǎn)的位移隨荷載系數(shù)的增大呈非線性增 長；當(dāng)荷載系數(shù)增大到一定程度時，荷載系數(shù)增大一個很小的數(shù)值，均 能引起位移的大幅度增長，即切線剛度矩陣接近0,這時可以認(rèn)為達(dá)到了 剛架的第一個荷載極限點(diǎn)（即結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定前的荷載最大值），此 時荷載系數(shù)為18。參考JGJ 7-2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程5的結(jié)構(gòu)屈曲判定準(zhǔn) 則，可認(rèn)為此體系滿足穩(wěn)定承載力要求。特征值屈曲分析第1階屈曲模態(tài)下，“恒載+活載”的屈曲系數(shù)為 101.667 ；非線性屈曲分析的情況下，剛架失穩(wěn)時“恒載+活載”的荷載 系數(shù)為18,減小了82.3%。所以對該類鋼板格構(gòu)式梁柱體系的非線性屈 曲分析非常必要。7結(jié)論1）通過對主受力剛架的模態(tài)分析，得到主受力剛架的固有頻率、自 振周期和振型，為計(jì)算風(fēng)荷載和地震作用提供依據(jù)。2）通過對主受力剛架的特征值屈曲分析，得到前3階屈曲模態(tài)下的 臨界荷載。在特征值屈曲分析的基礎(chǔ)上，對主受力剛架進(jìn)行了非線性屈 曲