门式刚架结构抗地表变形性能分析

卜令全, 夏军武, 侯智超

(1.潍坊市市政工程设计研究院有限公司,山东 潍坊 261031;2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221116)

门式刚架结构抗地表变形性能分析

卜令全1, 夏军武2, 侯智超2

(1.潍坊市市政工程设计研究院有限公司,山东 潍坊 261031;2.中国矿业大学 力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221116)

为更好地了解采动区现有门式刚架结构的力学性能,以双跨带吊车门式刚架结构为研究对象,采用物理实验和有限元模拟手段,分析了门式刚架结构在地表压缩、拉伸、倾斜 (不均匀沉降)、正曲率和负曲率变形条件下的附加应力和附加位移的变化规律。最后得出了地表变形作用下门式刚架结构的全局响应及抗变形规律,为采动区门式刚架结构设计提供了理论依据。

门式刚架;地表变形;附加应力;数值模拟

Abstract:Aimed at a better insight into the mechanical properties of the currently used portal frame structure in mining subsidence area,this paper is focused on the study of the double-span portal frame structure with crane and introduces the use of the physical experiment and FEM to analyze the laws governing the additional stress and displacementof the portal frame construction,subjected to the surface compression,elongation,tilt(uneven settlement),and defo rmation of positive curvature and negative one.It follows that the global responses and the law governing deformation resistance of portal frame structure exposed to ground deformation provide the theoretical basis for the design of the portal frame structure in mining subsidence area.

Key words:portal frame;surface defo rmation;additional stress;numerical s imulation

0 引 言

地下资源 (煤炭、矿石、石油、地下水和天然气等)的开采,城市地下工程 (地铁、隧道和地下建筑等)的兴建,以及巨大地壳运动都是引起地表变形和不均匀沉降变形的因素。这种变形会直接影响建筑物的结构安全。我国煤炭开采引起的地表变形在建筑结构抗变形研究领域更应加以重视。目前,采动区钢框架结构抗变形方面的研究成果很少[1-5],尤其缺少门式刚架结构抗地表变形的研究[1-3]。因此,笔者采用物理实验和有限元模拟手段,研究了采动区门式刚架结构的抗变形性能,以期得到更安全的结构方案。

1 实验研究

1.1 试件设计

以双跨带吊车门式刚架结构厂房工程为研究对象,采用 1∶5缩比试件实验。边柱高 1 680mm,中柱高 1 920mm,跨度 2×2 400mm,钢梁、钢柱截面尺寸均为 H100mm ×60 mm ×2.5 mm ×3.5 mm(已由材性实验测得 E为 2.041 6×105MPa),采用大底座钢基础。实验试件简图见图 1[1]。

图 1 抗变形实验试件Fig.1 Spec imen of anti-deformation exper iment

1.2 加载方案

加载包括:(1)斜梁上施加固定荷载模拟檩条传于刚架上的恒荷载,计算得斜梁上每隔 0.3 m施加集中力 P为 0.28 kN(采用砝码进行加载,下同);(2)柱牛腿处施加竖向荷载模拟吊车荷载,原型 3T吊车计算得,最大轮压 Dmax为 2.14 kN,最小轮压Dmin为 0.35 kN(水平荷载过小忽略不计);(3)柱底基础施加位移荷载模拟作用于刚架上的地表变形,加载均采用位移控制,以 B柱 (或A和 C柱)基础固定,通过千斤顶分别对A和 C柱 (或 B柱)基础施加一定大小和方向的位移,来模拟作用于基础的地表变形;同时采用电阻应变片、位移计及数据采集系统进行数据测量和记录。具体加载方式见表 1。

表 1 地表变形加载方案Table 1 Application scheme of ground deformation

2 有限元模拟

2.1 有限元模型

采用大型通用有限元计算软件 ANSYS,对地表变形下双跨带吊车门式刚架结构进行模拟。钢梁、钢柱均采用 BEAM188单元,基础采用 SOL ID65单元。钢梁、钢柱的泊松比ν为 0.3,屈服准则采用von Mises屈服准则。双跨带吊车门式刚架的有限元模型 (尺寸同物理实验)如图 2[1]。

图 2 有限元模型Fig.2 Fin ite elementmodel

2.2 荷载及边界条件

有限元模型中,刚架结构中梁柱节点均为刚性节点,节点域设加劲肋,柱脚与基础为刚性连接。ANSYS中,梁柱单元类型相同,两者存在公共节点连接时默认为刚接,而柱与基础单元不同,文中通过建立约束方程实现基础表面与柱脚的变形协调,形成刚性柱脚。

为与物理实验对比分析,有限元模型施加的荷载、柱底变形施加的方式以及大小均与物理实验相同。边界约束则施加于基础表面,施加变形时则解除相应方向上的约束,并施加一定大小的位移值。

笔者采用分步求解,先导出初应力,再将其导入模型的方法。在考虑重力作用的情况下,可以保证所建模型的尺寸和初始应力状态与实际情况相符合,以便于后续载荷步的模拟计算,即在有限元分析中荷载分为两步施加:首先施加土体初始地应力,而后施加框架自重、地表变形等其他荷载[4]。

3 结果分析

3.1 水平地表变形

3.1.1 水平附加变形

物理实验与有限元模型在两种水平地表变形下刚架边柱脚、牛腿处和柱顶的水平附加变形如图 3所示 (以 A柱的柱脚、牛腿处和柱顶为例;水平附加变形左为负,右为正;下同)。

从图 3可以看出,边柱脚、牛腿处和柱顶的水平附加变形 y均与水平地表变形 x呈线性关系,计算其回归公式并加以对比 (表 2),除柱顶在拉伸变形下的相对误差为 12.69%外,其他的均在 10%以内(相对误差指有限元模拟结果与实验结果的相对误差;后文回归公式均省略)。柱脚的水平附加变形最为明显,其次是牛腿处的,变化最小的为柱顶的。

图 3 水平地表变形 -水平附加变形关系Fig.3 Relations of horizontal surface deformation and horizontal additional deformation

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3.1.2 附加应力

物理实验与有限元模型在两种水平地表变形下刚架梁上翼缘、柱外翼缘附加应力见图 4(以 A柱的柱脚外、牛腿处外、柱顶外和 AB梁的 A边柱梁端上、跨中上、B中柱梁端上为例;附加应力拉为正,压为负;下同)。

从图 4可以看出,刚架梁柱各位置的附加应力σ与水平地表变形均呈线性关系,计算其回归公式并加以对比,除柱牛腿处外翼缘在压缩变形下的相对误差为 15.70%,梁中柱端上翼缘在压、拉变形下的相对误差分别为 16.34%和 14.13%外,其他相对误差均在 10%以内。水平地表变形下,柱脚的附加应力最大,梁跨中处的最小,柱脚对柱起控制作用,边柱梁端对梁起控制作用;水平拉、压作用下,刚架的内力分布规律及承受变形的能力基本相同。

图 4 水平地表变形 -附加应力关系Fig.4 Relations of horizontal surface deformation and additional stress

3.2 竖向地表变形

由于倾斜 (不均匀沉降)相对于框架不呈正对称,文中考察以其下沉跨为研究对象,分析在竖向地表变形下的变化规律。

3.2.1 水平附加变形

物理实验与有限元模型在不均匀沉降和正、负曲率三种竖向地表变形下刚架边柱脚、牛腿处和柱顶的水平附加变形从图 5和 6中可以看出,边柱脚、牛腿处和柱顶的水平附加变形均随竖向地表变形呈线性关系 (图 5、6),计算其回归公式并加以对比,相对误差均在10%以内。不均匀沉降变形下,柱顶的水平附加变形最为明显,其次是牛腿处的,几乎无变化的为柱脚的。曲率变形下,牛腿处的水平附加变形 最为明显,其次是柱顶的,几乎无变化的为柱脚的。

图 5 不均匀沉降变形 -水平附加变形关系Fig.5 Relations of uneven settlement and horizontal additional deformation

图 6 正、负曲率变形 -水平附加变形关系Fig.6 Relations of positive and negative curvature deformation and horizontal additional deformation

3.2.2 附加应力

物理实验与有限元模型在三种竖向地表变形下刚架梁上翼缘、柱外翼缘附加应力如图 7和 8所示。从图 7和 8可以看出,刚架梁柱各位置的附加应力与竖向地表变形均呈线性关系,计算其回归公式并加以对比,除柱顶外翼缘在不均匀沉降变形下的相对误差为 11.37%和柱底外翼缘在正曲率变形下的相对误差为 12.41%外,其他相对误差均在 10%以内。不均匀沉降变形时,刚架梁柱各位置的应力明显小于曲率变形下的;柱各处附加应力基本相同,梁的相差较大,边柱梁端对梁起控制作用,梁跨中应力最小。曲率变形时,中柱梁端的附加应力最大,梁跨中的最小;柱顶对柱起控制作用,中柱梁端对梁起控制作用;正、负曲率变形作用下,刚架的内力分布规律及承受变形的能力基本相同。

图 7 不均匀沉降变形 -附加应力关系Fig.7 Relations of uneven settlement and additional stress

图 8 正、负曲率变形 -附加应力关系Fig.8 Relations of positive and negative curvature deformation and additional stress

3.3 横向对比

门式刚架结构进行了五种地表变形加载,在两对呈相反方向的正对称加载变形 (水平地表压、拉变形和正、负曲率变形)作用下,刚架结构响应的变形附加值亦呈相反的变化趋势。刚架结构的附加应力受呈反对称的不均匀沉降变形的影响明显小于受呈正对称变形的影响。在水平、竖向地表变形作用下,刚架梁跨中处的附加应力均最小,因此采用变截面梁的设计方法是可行的。

如前所述,实验中各种地表变形均采用位移控制的加载方式施加于刚架结构基础上。由于水平变形加载和竖向变形加载不同,刚架的刚度也不尽相同,因此加载过程中虽位移变化量相同,但作用力的变化是不同的。

3.4 综合分析

由各考察项目的变化趋势线对比可知,有限元模拟和物理实验的数据变化趋势基本相同,通过回归公式计算,相对误差绝大部分控制在 10%以内,数据值大小差距在可接受的范围内,说明有限元模拟中对各种梁柱单元、基础单元的选择及相关力学参数的定义能很好地反映刚架的实际性能。进一步比较可看出,物理实验中刚架的水平附加位移比有限元模拟中略大,而附加应力比有限元模拟中略小,这主要是由实验中梁柱节点有螺栓滑移现象而有限元模拟中节点为完全刚接,及在实验过程中加载、采集数据的误差等造成的。因此,有限元模拟方式是合理可行的。

4 结 论

(1)有限元模型中单元、相关力学参数及各种地表变形的模拟方式是合理可行的。

(2)各种地表变形下,刚架结构的水平附加变形和附加应力均随地表变形呈线性关系。

(3)水平地表变形下,柱脚的水平附加变形最大;不均匀沉降变形下,柱顶的水平附加变形最大;曲率变形作用下,牛腿处的水平附加变形最大。

(4)水平地表变形下,柱脚的附加应力最大;柱脚对柱起控制作用,边柱梁端对梁起控制作用。不均匀沉降变形下,柱各处附加应力基本相同;梁的附加应力相差较大,边柱梁端对梁起控制作用。曲率变形作用下,中柱梁端的附加应力最大;柱顶对柱起控制作用,中柱梁端对梁起控制作用。

(5)在相反加载的变形 (水平压、拉变形和正、负曲率变形)下,刚架结构的变形附加值亦呈相反的变化趋势,且刚架结构的内力分布规律及承受变形的能力基本相同。刚架的附加应力受不均匀沉降变形的影响明显小于受水平压、拉变形和正、负曲率变形的影响。

(6)各种地表变形作用下,刚架梁跨中处的附加应力均最小,因此在地表变形作用下采用变截面梁的设计方法是可行的。

[1] 卜令全.双跨门式刚架结构抗地表变形性能研究[D].徐州:中国矿业大学,2010.

[2] 吕恒林,周淑春,胡敬礼.轻钢门式刚架结构抗地表变形措施的研究[J].工业建筑,2006,36(增刊):615-619.

[3] 夏军武,王守祥,王宽如,等.位于老采空区上的门式刚架结构抗变形性能分析研究[J].建筑结构,2004,34(5):30-35.

[4] 谢 伟,夏军武.内嵌墙板 -钢框架结构抗地表变形实验研究[J].华中科技大学学报:城市科学版,2008,25(3):169-171,176.

[5] 夏军武,丁 平,郑玉莹.地表变形引起钢框架结构附加内力和变形的试验研究[J].华中科技大学学报:城市科学版,2008,25(3):13-16.

(编辑 王 冬)

Analysis of performance of portal frame structure resist ing ground deformation

BU Lingquan1, XIA Junwu2, HOU Zhichao2
(1.WeifangMunicipal EngineeringDesign&Reseach Institute,Weifang 261031,China;2.School ofMechanics&Civil Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

TU392.5

A

1671-0118(2010)05-0353-07

2010-09-11

卜令全 (1982-),男,山东省潍坊人,助理工程师,硕士,研究方向:建筑结构工程设计及采动区建 (构)筑物保护,E-mail:quanlingbu@163.com。