大跨度四坡水装配式钢空腹网架动静力学性能分析

2020-05-18桑胜伟马克俭

中国水运 2020年2期

桑胜伟马克俭

摘要：运大跨四坡水装配式钢空腹网架结构是马克俭院士基于钢空腹网架的一种新型的结构体系。这种新型的结构体系将古建形式融于结构理念，由斜上弦、水平向下弦、竖向腹杆构成。为了研究这种新型楼盖的力学性能，本文对北京市东站某小学屋面大跨四坡水装配式刚空腹网架屋面进行设计和研究，对比分析不同加载参数下结构主要受力构件响应分析，得到结构在多种载作用下的整体工作性能及设计施工性能分析。结果表明：大跨四坡水装配式钢空腹网架结构具有较好的受力性能，能够抵抗多种荷载作用，在设计时应对空腹网架跨中，空腹网架与柱连接部位设计杆件加强，增加截面尺寸，构件柱沿X、Y方向抗侧刚度应相近，在施工过程中，把控好关键部位节点施工质量。

关键词：大跨度;四坡水;装配式钢结构;力学性能

中图分类号：TU312 文献标识码：A 文章編号：1006—7973（2020）02-0054-03

目前研发构造简单、成本节约、技术先进、施工周期短、综合特性好的装配式钢结构是时代发展的需要[1]。装配式钢结构是指预制工厂进行钢结构基本单元生产，在施工现场进行组装成形的结构。相比较现浇钢筋混凝土结构，具有施工速度快、自重轻巧、抗震性能好、减少水电消耗、降低生产成本，激发社会经济生产活力，有利于推动我国经济快速发展，为新时代中国发展输送工程建设人员的绵薄之力[2]。马克俭院士本着“用最少的钱建最好的房子”这一基本理念，先后研发了钢筋混凝土空腹网架楼盖结构[3]，钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构[4]，最近又再度创新，提出了集空腹夹层板与空腹网架于一体的民族样式的大跨四坡水装配式钢空腹网架结构，基于这种新型结构，本文主要研究其受力性能特点，结构主要受力构件与关键部位的力学分析。

大跨度四坡水装配式钢空腹网架结构正是在装配式钢结构建筑的基础上，结合特有建筑风格的要求，创新原有钢空腹网架结构体系，形成四坡水结构[5]，这项突破可以说是真正给予工程建筑结构的价值寓以文化的内涵。结构体系创新更要依托理论和实践的支撑。本文主要以实际工程为例，进行新结构体系结构主要受力构件响应、设计施工性能分析。

1 结构模型设计参数

本建筑工程为北京东站小学教学楼，平面尺寸为30m×30m，设计跨度为30m，设计使用年限为50年。该教学楼共五层，其中每层分别设置若干独立的教室，卫生间，教师办公室等。结构的重要性系数取1.1，基本风压按50年一遇为0.45KN/m2 ，地形修正系数取1，基本雪压按50年一遇为0.4KN/m2，设计荷载：恒载：6KN/m2 （包括楼盖自重），活载均为2KN/m2，屋盖为非上人。教学楼所在场地类型为三类，地面粗糙度类别为C类。

大跨度四坡水方形平面钢空腹网架整体结构采用钢材为主体承重结构，楼板网格填充采用混凝土楼板。拟采用的材料本构关系模型为双折线模型，不同材料的参数按下表对应取值。其中，E为材料的弹性模量，f为材料的屈服强度，为材料的泊松比，为材料的极限应变。

2 有限元模型建立

根据构造要求选取楼板尺寸。该建筑结构层净高要求3.9m。根据《钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构设计与施工规程》第7.0.1条，空腹夹层板的总厚度h可以按照短向跨度的1/25-1/35取用，上肋的薄板厚度为净跨的1/30取用，并不得小于50mm;上下肋的高度应按网格边长的1/10-1/15取用，肋宽b取1.5-3.5倍的h1，且不小于350mm;剪力键的高度与横截面短边之比不宜大于1，剪力键高度取300mm，宽度取450mm。则空腹板总厚度h取1200mm，现浇薄板的厚度取100mm;网格尺寸采用2500mm×2500mm，空腹夹层板上下肋截面尺寸均采用450mm×300mm[6]。

根据规程要求及实际装配一体化施工方便，降低生产成本，在建立模型时尽可能考虑选取规格一致的同一类型构件，依据这一思想意识，建立结构有限元模型。大跨方形平面四坡水装配式钢空腹网架结构体系结构三维有限元模型整体轴侧图布置如图1所示，结构二维有限元模型整体侧视图如图2所示，结构二维有限元模型俯视图见图3所示，结构空腹夹层板布置图如图4所示。

分别对大跨度四坡水装配式钢空腹网架整体结构施加水平风荷载，竖向的恒载和活载，地震作用，以及温度效应，进行分析结构的内力最大值，给出大跨度四坡水装配式钢空腹网架整体结构在结构选型，构件配置，施工作业以及后期运维条件下的建议。

3 结果分析

3.1 水平风荷载作用下的响应分析

风是建筑结构工程中最主要的设计荷载之一，在风荷载作用下不仅顺风向随机产生振动，而且横风向也会随机振动[7]。对结构分别施加单向双向风振作用，运用有限元软件分析结构内力响应。图5是施加风荷载后的风压力示意图，从受力图可以看出，二层风荷载效应值较大，产生的风荷载应力也应较大。图6是水平风向作用下的应力分布图，可以看出，结构最大拉应力值为89.42MP，最大压应力值为127.73MP，结构采用Q345级钢材，其承载力远远大于风荷载单独作用下的最大拉压应力值。

3.1.1 竖向受力构件柱的内力分析

根据结构受到风振作用的构件柱内力分布，整理内力在柱脚，柱中以及柱顶的内力分布。可以看出，在柱脚部位，由于风振作用产生的轴向拉应力偏高，柱脚处拉应力最大，柱中拉应力处于中间，柱顶最小。从图7和图8也可以看出，底层边柱脚应力较底层中柱脚偏小，具体为：在X方向风振作用下，柱脚产生的沿Z向拉应力远大于其他各方向应力，同时满足从边柱依次向中柱递增，中柱最大轴力为1035.146KN。

在Y方向风振作用下，柱脚产生的沿X向轴力大于其他各方向应力，原因应是X方向抗侧刚度大于Y向，致使沿X向力学响应偏大，同时满足从边柱依次向中柱递增，中柱最大轴力为-19.74KN，柱脚产生的沿Y向弯矩大于其他各方向弯矩，原因应是风振作用下对于柱而言Y方向是主要抗弯方向，致使沿Y向力学响应偏大，同时满足从边柱依次向中柱递增，中柱最大弯矩为-86.66KN。

3.1.2 竖向受力构件柱的内力分析

结构在竖向受力构件处的结构风险较大，研究结构竖向受力构件的应力响应[8]。运用MIDAS-gen分析可得，结构在本身自重作用下的竖向支承结构由边缘依次向内呈递增趋势，并依次对其余三侧竖向支承构件分析，其规律呈现明显的协同一致性。

从圖9和图10可以看出，在柱脚部位，由于恒载作用产生的轴向拉应力偏高，底层边柱脚应力较底层中柱脚偏小，具体为：在恒载作用下，柱脚产生的沿Z向轴力远大于其他各方向内力，同时满足从边柱依次向中柱递增，中柱最大轴力为1225.82KN。

在活荷载作用下，柱脚产生的沿Z向轴力大于其他各方向内力，同时满足从边柱依次向中柱递增，中柱最大轴力为460.75KN，柱脚产生的沿X向弯矩大于其他各方向弯矩，原因是活荷载作用下对于柱而言X方向是主要抗弯方向，致使沿X向力学响应偏大，同时满足从边柱依次向中柱递增，中柱最大弯矩为-91.81KN。

同时结构在活荷载作用下的应力响应与恒荷载作用下的响应亦呈相似的一致性，在恒荷载和活荷载作用下竖向支承构件的竖向力内力均大于水平应力，主要原因是结构跨度较大，层高较小，结构竖向荷载大于水平荷载。

3.2 各作用条件下对比分析

从以上分析，可以看出大跨度四坡水装配式刚空腹网架结构在外荷载与自重的作用下整体工作性能较好。在X向风荷载作用下，产生的应力分布较Y向大，设计时应重点考虑X向风荷载响应。恒载与活载作用下，结构应力响应基本呈对称分布，且中部柱，柱与夹层板交接处应力偏大，可以在设计时注意柱沿XY两个方向的刚度一致性，并加强薄弱节点处的设计考虑，可采用实腹梁连接。

4 结论

本文基于大跨度四坡水钢空腹网架整体结构，通过大量的水平、竖向荷载的对比分析，得出以下的结论供参考：

（1）大跨度四坡水装配式刚空腹网架结构这一新型结构具有较好的静动力学性能，受力特点对称，便于构件统一规格。

（2）结构在恒载与活载作用下，应力对称分布，重点加强中部柱，柱与夹层板交接处施工质量监控，可在应力较大处采取加强措施。

（3）在设计时，尽可能使结构柱沿XY方向刚度均匀布置，可采用加劲肋，柱与夹层板交接处宜采用空腹梁，并加强施工质量监测。

（4）鉴于结构安全储备较高，可对结构进一步优化处理，包括研究采用装修层厚度，研究结构位移分布规律，对新结构的应用推广提供理论支撑。

参考文献：

[1]王伟，陈以一，余亚超，童乐为，杨建行，刘大伟，古海贤二.分层装配式支撑钢结构工业化建筑体系[J].建筑结构，2012，42（10）：48-52.

[2]王宁，黄永胜，黄敦坚.模块化——建筑产业化发展的必由之路[J].建筑，2015（09）：6-13.

[3]马克俭，张华刚，肖建春，卢亚琴.中国钢筋混凝土空间网格结构新体系的开拓与发展（上）[J].中国工程科学，2008，10（07）：4-17+34.

[4]胡岚，马克俭.U形钢板-混凝土高强螺栓连接组合空腹夹层板楼盖结构研究与应用[J].建筑结构学报，2012，33（07）：61-69.

[5]寇寰.武汉宗关水厂历史建筑遗产调查与价值评估[J].华中建筑，2015，33（02）：168-172.