型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究.pdf

收稿日期:20151111; 修回日期:20151126 基金项目:中铁第四勘察设计院集团有限公司课题(2012D28) 作者简介:沈摇 磊(1985),男,一级注册结构工程师,注册岩土工程 师,2010 年毕业于东南大学土木工程学院结构工程专业,工学硕士, E鄄mail:316789796 qq. com。 第 60 卷摇 第 5 期 2016 年 5 月 铁 道 标 准 设 计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol. 60摇 No. 5 May 2016 文章编号:10042954(2016)05012104 型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究 沈摇 磊 (中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉摇 430063) 摘摇 要:根据现行型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ1382001)并结合新颁布的相关结构设计规范,利用 C#语 言编制了型钢混凝土梁设计软件。 相关工程实例应用表明,该软件可以根据通用有限元计算软件 Midas Gen 的计 算结果,按照相关规范要求,对型钢混凝土梁构件进行批量设计,其被广泛应用在大跨度铁路站房设计中,提高了 站房工程的设计效率。 关键词:型钢混凝土梁; 大跨度; 铁路站房; 通用有限元; MIDAS Gen; 批量设计 中图分类号:TU248郾 1摇 摇 文献标识码:A摇 摇 DOI:10. 13238/ j. issn. 1004-2954. 2016. 05. 026 Research on Application of Steel Reinforced Concrete Beam Design Software in Railway Station Buildings SHEN Lei (China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. , Ltd. , Wuhan 430063, China) Abstract: Based on Technical Specification for Steel Reinforced Concrete Composite Structure (JGJ138- 2001) and some new national standards, steel reinforced concrete beam design software is coded in C# language. The software is used for batch design of steel reinforced concrete beams based on the finite element modeling (FEM) calculation results from Midas Gen, and extensively and effectively employed in the design of large span station buildings. Key words: Steel reinforced concrete beam; Large span; Railway station buildings; FEM; Midas Gen; Batch design 1摇 概述 随着高速铁路迅猛发展,铁路站房结构形式日趋 复杂多变,其中不乏大跨度站房的出现,对结构设计要 求越来越高1,2。 型钢混凝土梁是将型钢埋入钢筋混 凝土梁中的一种组合梁,由型钢、主筋、箍筋及混凝土 组合而成。 型钢混凝土梁具有承载力高、抗震性能好 等优点,被广泛应用在大跨度结构中3,4。 目前国内传统结构设计软件(如 PKPM),对于型 钢混凝土梁设计时,只能处理具有典型层的结构形式。 而其他通用有限元计算软件如 Midas Gen 等,虽可以 解决复杂造型结构的计算分析问题,但在构件设计方 面功能不足,不支持型钢混凝土梁的设计。 鉴于目前的国内外研究现状,结合我国现行的钢 骨混凝土设计规范5,6,根据 Midas Gen 有限元计算软 件的内力计算结果,编制了型钢混凝土梁设计校核软 件(Src Beam Design Tools)。 软件可以对各类工程中 的型钢混凝土梁构件设计校核,具有界面友好、交互输 入、批量读取、批量计算、批量输出、操作简便等功能。 2摇 软件编制流程 型钢混凝土梁设计校核软件包括两个模块:Midas 模型及内力读取模块及型钢混凝土梁设计模块。 型钢 混凝土梁设计校核软件开发的总流程如图 1 所示,具 体解释如下。 (1)调用 Midas 模型及内力读取模块,对相关构件 的节点、单元、截面、节点约束、指定构件等信息进行存 储,通过该模块读取相关型钢混凝土梁构件的设计内 力,输出构件设计参数表格,该模块的详细流程如图 2 所示。 图 1摇 程序总流程 摇 图 2摇 Midas 模型及内力读取模块 摇 (2)通过型钢混凝土梁设计模块 ,在上一模块输 出的构件设计参数表格中,对相关构件进行批量设计, 并输出计算书,该模块的详细流程如图 3 所示。 图 3摇 型钢混凝土梁设计模块 摇 (3)型钢混凝土梁构件设计完毕,程序结束。 3摇 软件编制关键技术 型钢混凝土梁设计校核软件编制过程中, 对 Midas 计算内力调整、型钢混凝土梁构件批量设计是 程序编制的关键及难点。 3郾 1摇 型钢混凝土梁设计内力调整 在 Midas Gen 软件中,大跨度复杂站房结构模型 计算完成后,通过菜单结果 -分析表格 -梁单 元-内力可以提取模型中梁单元在各工况下的内 力计算结果,典型的梁构件内力输出如表 1 所示7。 表 1摇 梁单元部分工况下的内力 单元 号 工况 组合 截面 位置 轴力 Nx/ kN 剪力 Vy / kN 剪力 Vz/ kN 弯矩 My / (kNm) 弯矩 Mz / (kNm) 1cLCB5 I10-453郾 6600-470郾 05 1cLCB51/201郾 3800253郾 66 1cLCB5 J20456郾 4200-478郾 3 摇 摇 对于型钢混凝土梁,设计内力采用的目标组合为: 弯矩最大|Mmax|及相应的剪力 V、剪力最大|Vmax|及相 应的弯矩 M。 由于型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ138 2001) 5对应的建筑抗震设计规范(GBJ 1189)与 现行抗震规范要求不对应,按照建筑抗震设计规范 (GB500112010) 8、高层建筑混凝土结构设计规 范 9要求,对型钢混凝土梁构件的抗震组合内力,进 行考虑抗震要求的内力调整。 程序编制时,对于满足抗震需要的“强剪弱弯冶要 求, 参 考 现 行 主 流 设 计 软 件 PKPM10、 Midas Building11,12的处理方法,直接对水平荷载计算得到 的剪力乘以放大系数,再与竖向荷载计算所得的剪力 进行组合。 对于不同抗震等级剪力放大系数的确定, 按表 2 原则确定。 表 2摇 钢骨混凝土框架梁剪力调整 构件类型 9 度6、7、8 度 特一级 一级 特一级 一级 二级 三级四级 钢骨混凝土框架梁 1郾 2C1C11郾 2C1C11郾 21郾 11郾 0 摇 摇 注:C1=max(1郾 1伊1郾 1伊超配系数,1郾 3),超配系数是指在设计参数 中输入的实配钢筋超配系数。 3郾 2摇 公式改进 型钢混凝土组合结构技术规程 ( JGJ138 2001) 5 规定,型钢混凝土框架梁应验算裂缝宽度及 挠度,最大裂缝宽度及挠度值应按荷载的短期效应组 合(相当于标准组合)并考虑长期效应组合的影响进 行计算。 本文在程序编制过程中,结合组合结构设计规 范(JGJ1382012)(报批稿) 13及混凝土结构设计 规范(GB500102010) 14,在进行混凝土构件裂缝、 挠度计算时,按荷载准永久组合(荷载长期作用)并考 虑长期作用影响计算。 同时,对于裂缝及挠度的计算公式,参照在组合 结构设计规范(JGJ1382012)(报批稿) 13及混凝 土结构设计规范(GB500102010) 14按下式进行如 下改进。 (1) 将 型 钢 混 凝 土 组 合 结 构 技 术 规 程 (JGJ1382001) 关于受弯构件最大裂缝计算公式 棕max=2郾 1渍 滓sa Es (1郾 9c+0郾 08 deq 籽te ),修改为 棕max=1郾 9渍 滓sa Es (1郾 9c+0郾 08 deq 籽te ); (2) 将 型 钢 混 凝 土 组 合 结 构 技 术 规 程 (JGJ1382001)关于受弯构件长期刚度计算公式 Bl= Ms Ml(兹-1)+MsBs,修改为 Bl = Bs-EaIa 兹 +EaIa。 221铁 道 标 准 设 计第 60 卷 3郾 3摇 型钢混凝土梁批量设计 在进行型钢混凝土梁批量设计之前,首先依据 型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ1382001) 5 有关型钢混凝土梁计算原理及方法设计了单个型钢混 凝土梁构件设计程序,并与相关计算例题进行了对比 分析及测试,结果验证了本设计软件的正确性。 单个型钢混凝土梁构件设计程序界面如图 4 所示。 图 4摇 型钢混凝土梁计算程序 摇 单个型钢混凝土梁程序测试完毕后,将型钢混凝 土梁构件设计模块集成在总程序中,读取型钢混凝土 梁柱设计参数,利用循环设计命令进行批量设计。 4摇 工程应用 4郾 1摇 模型介绍 某火车站结构承轨层,柱距 22 m,大跨度梁采用型 钢混凝土梁。 梁、板混凝土等级 C40,柱混凝土等级 C50,型钢采用 Q345,钢筋等级纵筋 HRB400,箍筋等级 HRB400,保护层厚度20 mm。 结构抗震等级为一级15。 型钢混凝土梁截面采用1 800 mm伊2 600 mm(内置 型钢采用 H1800伊800伊30伊60),与型钢混凝土梁相连的 柱采用钢骨混凝土柱,截面采用25000 mm伊2500 mm(内 置双向型钢 H1800伊900伊40伊60)。 楼面荷载:恒载按 25 kN/ m2,活载按 30 kN/ m2,板厚400 mm。 Midas Gen 中的计算模型如图 5 所示。 图 5摇 测试模型 摇 设计计算时,考虑荷载组合如表 3 所示。 4郾 2摇 型钢混凝土梁测试 利用本文所编型钢混凝土梁设计软件,依次选取 相关选项进行构件设计。 限于篇幅,本文仅以众多型 钢混凝土梁构件中的某一根构件为例,用以说明所编 表 3摇 荷载组合 工况号恒载 D活载 LX 风Y 风X 地震Y 地震 11郾 350郾 980000 21郾 21郾 40000 311郾 40000 41郾 201郾 4000 51郾 20-1郾 4000 61郾 2001郾 400 71郾 200-1郾 400 81郾 21郾 40郾 84000 91郾 21郾 4-0郾 84000 101郾 21郾 400郾 8400 111郾 21郾 40-0郾 8400 121郾 20郾 981郾 4000 131郾 20郾 98-1郾 4000 141郾 20郾 9801郾 400 151郾 20郾 980-1郾 400 1611郾 40郾 84000 1711郾 4-0郾 84000 1811郾 400郾 8400 1911郾 40-0郾 8400 2010郾 981郾 4000 2110郾 98-1郾 4000 2210郾 9801郾 400 2310郾 980-1郾 400 241郾 20郾 60郾 2801郾 30 251郾 20郾 6-0郾 280-1郾 30 261郾 20郾 600郾 2801郾 3 271郾 20郾 60-0郾 280-1郾 3 281郾 20郾 60郾 280-1郾 30 291郾 20郾 6-0郾 2801郾 30 301郾 20郾 600郾 280-1郾 3 311郾 20郾 60-0郾 2801郾 3 3210郾 50郾 2801郾 30 3310郾 5-0郾 280-1郾 30 3410郾 500郾 2801郾 3 3510郾 50-0郾 280-1郾 3 3610郾 50郾 280-1郾 30 3710郾 5-0郾 2801郾 30 3810郾 500郾 280-1郾 3 3910郾 50-0郾 2801郾 3 型钢混凝土梁设计软件的实例应用。 表 4 为 Midas Gen 模型输出的准永久内力表格。 表 4摇 准永久荷载内力 单 元 荷载位置N/ kN Vy / kN Vz/ kN My / (kNm) Mz / (kNm) 7准永久I1 695郾 79-80-11 322郾 49-24 031郾 11-0郾 02 7准永久M1 695郾 79-80-1 668郾 7810 806郾 160郾 33 7准永久J1 695郾 79-80-115郾 0816 987郾 910郾 68 对于型钢混凝土梁设计时,需要考虑强剪弱弯内 力调整。 本软件在模型计算时自动增加考虑剪力放大 的内力工况,将不普通抗震工况所得的弯矩内力及考 虑剪力放大的抗震工况所得的剪力汇总于表 5。 表 5摇 抗震组合剪力、弯矩 单 元 荷载 位 置 N/ kNVy/ kNVz/ kN My / (kNm) Mz / (kNm) 7 抗震组合 I1 890郾 2 -116郾 74 -9 855郾 94 -16 782郾 61-858郾 18 7 抗震组合 M 1 890郾 2 -116郾 74 -9 095郾 79 11 932郾 44811郾 16 7 抗震组合 J1 890郾 2 -116郾 74 -5 335郾 65 12 422郾 09569郾 93 摇 摇 完成型钢混凝土梁设计参数输出及批量构件设计 321第 5 期沈摇 磊型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究 的计算参数及计算结果如表 6 表 7 所示。 从设计结 果来看,对于该大跨度梁,实际配筋由裂缝控制,对于 控制配筋,程序以彩色填充表示。 表 6摇 型钢混凝土梁设计参数及结果(一) 1. 计算参数7I 截面7M 截面7+9J 截面 混凝土强度等级C40C40C40 钢筋强度HRB400HRB400HRB400 型钢牌号Q345Q345Q345 箍筋强度HRB400HRB400HRB400 梁宽 b/ mm1 8001 8001 800 梁高 h/ mm2 6002 6002 600 保护层厚度 c/ mm202020 钢筋合力点距离边缘 as/ mm42郾 542郾 542郾 5 实配箍筋直径 dsgj/ mm101010 弯矩设计值 Md/ (kNm)16 782郾 61 11 932郾 4112 422郾 09 剪力设计值 Vd/ kN9 855郾 949 095郾 795 355郾 6 弯矩标准值 Mk/ (kNm)4 837郾 332 2 385郾 4924 519郾 008 轴力准永久值 Nq/ kN1 695郾 791 695郾 791 695郾 73 弯矩准永久值 Mq/ (kNm)24 031郾 1110 806郾 216 987郾 91 按拉弯构件计算裂缝(是 1 否 0)000 裂缝最大宽度 wmax/ mm0郾 20郾 20郾 2 梁跨度 l0/ m22 00022 00022 000 材料按公路桥规设计FALSEFALSEFALSE 受拉钢筋最小配率0郾 0020郾 0020郾 002 材料按标准值设计FALSEFALSEFALSE 抗震等级一级抗震 一级抗震一级抗震 2郾 型钢截面尺寸摇摇 型钢腹板高度 hw/ mm1 8001 8001 800 型钢翼缘宽度 bf/ mm800800800 型钢腹板厚度 tw/ mm303030 型钢翼缘厚度 tf/ mm606060 型钢翼缘距离柱边距离 aa/ mm400400400 3郾 正截面承载力计算结果 受压区高度 x/ m144郾 354 74 111郾 989 9115郾 233 2 受压钢筋面积 Asc/ mm2000 受拉钢筋面积 Ast/ mm29 3609 3609 360 所选钢筋直径 ds/ mm 252525 钢筋根数 ns202020 受拉钢筋配筋率0郾 0020郾 0020郾 002 表 7摇 型钢混凝土梁设计参数及结果(二) 4郾 斜截面承载力计算结果摇摇 受剪截面判断OKOKOK 抗剪承载力之比判断OKOKOK s=100 mm 范围内箍筋面积 Asv/ mm2270270270 5郾 裂缝计算结果摇摇 实配受拉钢筋根数582031 实配受拉钢筋直径/ mm252525 等效钢筋直径 deq/ mm54郾 5583郾 5570郾 59 等效钢筋应力 滓/ MPa147郾 0488郾 13126郾 25 实配钢筋算得裂缝宽度/ mm0郾 1990郾 1020郾 196 裂缝计算结果判断OKOKOK 6郾 挠度验算结果摇摇 实配受压钢筋根数摇摇 实配受压钢筋直径/ mm000 计算的挠度值/ mm252525 允许挠度值/ mm20郾 2610郾 3715郾 68 挠度验算结果73郾 3373郾 3373郾 33 5摇 结论 软件编制过程中,通过软件测试,发现和解决了软 件的不足之处,也使得软件更加高效,本次软件编制得 出如下结论。 (1)本文介绍的软件编制关键技术:Midas 模型及 内力读取模块中对于 Midas Gen 文本命令流的识别与 读取、Midas 计算内力读取与调整、型钢混凝土梁构件批 量设计可以为后续的相关软件编制提供借鉴。 (2)通过软件测试以及工程应用,验证了所编型 钢混凝土梁设计软件,可以正确读取 Midas Gen 有限 元计算软件的内力计算结果,对钢混凝土梁构件进行 批量设计,明显提高设计效率。 (3)由于程序编制所依据的型钢混凝土组合结 构技术规范(JGJ1382001)为 2001 年颁布,与新版 混凝土结构设计规范(GB200102010)及新版建 筑抗震设计规范(GB500112010)部分内容冲突,软 件编制过程中参照新混规、新抗规及主流设计软 件 PKPM、Midas Building 等处理方法,对涉及型钢混凝 土梁内力调整系数、部分公式(如钢骨梁的裂缝、挠度 计算等)进行改进,软件测试表明,改进公式与结构主 流设计软件一致,满足工程实际需要。 参考文献: 1摇 郑健. 中国当代铁路客站设计理论探索M. 北京:人民交通出版 社,2009. 2摇 郑健. 2011 中国铁路客站技术交流会论文集C. 北京:中国铁 道出版社,2011. 3摇 聂建国. 型钢混凝土组合结构设计实例与分析M. 北京:中国建 筑工业出版社,2008. 4摇 刘大海. 型钢钢管混凝土高楼计算和构造M. 北京:中国建筑工 业出版社,2003. 5摇 中华人民共和国建设部. JGJ1382001,型钢混凝土组合结构技 术规程S. 北京:中国建筑工业出版社,2001. 6摇 中华人民共和国冶金部. YB90822006,钢股混凝土结构技术规 程S. 北京:北京冶金工业出版社,2007. 7摇 北京迈达斯软件有限公司. Midas/ Gen 分析与设计原理M. 北 京: 北京迈达斯软件有限公司,2004. 8摇中华人民共和国建设部. GB500112010建筑抗震设计规范 S. 北京:中国建筑工业出版社,2010. 9摇 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ32010高层建筑混凝 土结构技术规程S. 北京:中国建筑工业出版社,2010. 10 中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部. SATWE 用户手册及技 术条 件 M. 北京: 中国 建筑科 学研究 院 PKPM CAD 工 程 部,2012. 11 北京迈达斯软件有限公司. Midas Building 用户手册及技术条件 M. 北京:北京迈达斯软件有限公司,2011. 12 北京迈达斯软件有限公司. Midas Gen 用户手册及技术条件M. 北京:北京迈达斯软件有限公司,2010. 13 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ1382012组合结构设 计规范(报批稿)S. 北京:中国建筑工业出版社,2012. 14 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB500102010混凝土结 构设计规范S. 北京:中国建筑工业出版社,2010. 15 黄刚. 昆明南火车站结构设计研究J. 铁道标准设计,2013(6): 136139. 421铁 道 标 准 设 计第 60 卷