钢结构的设计与计算案例分析研究

毛肖宁

摘要：通过独立钢柱三面型广告牌的设计与计算案例，研究钢结构广告牌的结构体系与受力状况，依据规范要求，在结构中如何行进行结构设计、荷载组合、空间结构计算模型、计算结果分析以及施工等内容。

Abstract： Through the design and calculation case of the independent steel column three-sided billboard， the structure system and the stress condition of the steel structure billboard are studied. According to the requirements of the code， how to carry on the structural design， the load combination， the spatial structure calculation model in the structure， analysis of calculation results and construction etc.

关键词：空间结构计算;荷载组合;有限元程序;自振周期;变形控制

Key words： spatial structure calculation;load combination;finite element program;natural vibration period;deformation control

中图分类号：TU391                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）36-0154-02

1  工程概况

某钢结构三面型广告牌，独立型钢柱，高26m，离地面23.7m，水平尺寸为8×18m。该地区基本风压为w=0.3kN/m2，地震设防烈度为7度。地基持力层为粉质粘土（Qm1+p1），承载力特征值fk=180kPa，压缩模量ES=5.5～7.8MPa。

2  设计方法选用

2.1 钢结构体系的设计

根据工程项目的使用特点，本案例选用独立钢柱三面型广告牌，结构体系采用空间钢桁架。钢立柱截面的选取，应考虑其强度、稳定性、广告牌整体尺寸协调、美观等因素。空间钢桁架的主梁采用槽钢，其他构件采用角钢，结构外形要求平整，便于使用，为减小板面的变形，应采取加强骨架，增强面板与主骨架连接。

2.2 荷载的组合与计算

结合工程概况，本结构体系的荷载主要有：自重、风荷载、地震作用;风荷载与地震作用分别按（图1）中的X、Y两个方向。根据设计规范要求[1][2]，按（表1）的荷載组合，计算、分析和复核各种荷载组合情况下钢结构的强度、稳定性。

2.3 风荷载的计算

本工程的基本风压为w=0.3kN/m2，地区类别按B类考虑，重现期取1.1。根据建筑结构荷载规范[1]，风载体型系数的取法，迎风面为1.3，背风面为-0.8，总共取2.1的系数。

根据建筑结构荷载规范[1]，对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。本工程采用空间有限元计算，得出了广告牌振动周期见（表2），可以看出基本自振周期T1=2.05s，远大于0.25s，需要考虑风振的影响。

3  空间结构计算与分析

3.1 空间结构计算模型的研究

广告牌构筑物属于典型的空间结构，需要按照空间结构模型来计算分析与稳定性验算，特别是风荷载沿Y方向作用时，由于风荷载作用的不对称，广告牌的扭转效应很明显。广告牌空间结构的主梁可简化为刚结或铰结在钢立柱上的悬臂结构，主梁之间由横梁及斜撑铰结形成空间组合桁架。内力计算采用有限元程序在计算机上完成，可以采用梁、柱及杆三种单元型式。

3.2 空间结构抗震计算分析

我们用结构通用有限元程序对钢结构进行了振型和周期计算，计算得到了钢结构广告牌的振动特性，自振周期见表2，第1、2振型见图2。结果广告牌钢结构是安全的。

3.3 广告牌变形控制

根据规范[2][3]的规定，我们计算分析了两种工况的位移，形图见图3。从计算结果得出，第一工况的最大位移为21号节点（节点编号见图1），位移为43mm，满足规范要求。第二工况的最大位移为17号节点，位移为68mm，u/H=1/258<1/200，满足要求。

4  结构与基础设计

4.1 结构连接设计

钢结构的下部可根据自重较大的特点，可采用法兰盘连接，上部桁架结构杆件受力一般不大，可采用焊缝连接。施工中注意焊缝的饱满度及高度、螺栓的可靠性、钢件的防腐处理。

4.2 工程基础设计

基础形式可采用独立基础和桩基础。根据工程地质状况和荷载情况，通过对基础反力、抗倾覆和抗滑移的计算，本工程采用一阶式独立基础，基础埋深3.5m，高0.8m，底面为6.8m×11.2m。能够满足设计要求。

5  结论

通过本工程的计算分析与设计，我们得出以下结论：

①独立钢柱三面型广告牌属空间结构体系，应按空间结构进行计算分析;②独立钢柱三面型广告牌的自振周期较长，属典型的柔性高耸构筑物，风荷载对独立钢柱三面型广告牌的强度、稳定性、变形性起到控制作用，设计中主要考虑风振荷载的影响。

参考文献：

[1]GB 50009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范（2016版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.