某不规则钢框架结构及其梁-柱节点分析.pdf

年 月第 卷第 期?年 月第 卷第 期中 文 引 用 格 式：罗 青 儿某 不 规 则 钢 框 架 结 构 及 其 梁柱 节 点 分 析 特 种 结 构，（）：英 文 引 用 格 式：，（）：某 不 规 则 钢 框 架 结 构 及 其 梁柱 节 点 分 析罗 青 儿五 冶 集 团 上 海 有 限 公 司 建 筑 设 计 研 究 院 摘 要：介 绍 了 一 栋 不 规 则层 钢 框 架 结 构 体 系，该 项 目 基 于 建 筑 要 求，钢 框 架 梁、柱 要 求 全 部 采 用 圆钢 管 型 截 面。由 于 实 际 工 程 中 框 架 梁、柱 截 面 全 部 采 用 圆 管 型 截 面 的 钢 框 架 结 构 研 究 与 应 用 较 少，故为 满 足 设 计 的 需 要，并 确 保 结 构 体 系 的 安 全 及 可 靠，在 设 计 过 程 中 对 该 结 构 体 系 及 节 点 进 行 了 一 些 分析 与 研 究，以 解 决 设 计 中 的 难 点 所 在。分 析 结 果 表 明，经 过 周 到 合 理 的 分 析，并 配 以 恰 当 的 构 造 措 施，圆 管 型 框 架 梁 完 全 可 运 用 到 钢 框 架 结 构 设 计 当 中，圆 管 型 截 面 的 钢 框 架 梁柱 节 点 具 有 良 好 的 抗 震 性能。结 构 设 计 中 若 判 断 构 件 以 受 弯 为 主，箱 形 或 工 字 型 截 面 有 较 好 的 经 济 性。关 键 词：钢 框 架梁柱 节 点圆 钢 管有 限 元 分 析：牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 工 程 概 况项 目 位 于 上 海 市 世 博 园 区，由 一 栋层 办公 塔 楼 及 其层 配 套 裙 房 组 成。办 公 塔 楼 为 框架核 心 筒 结 构，配 套 裙 房 为 钢 框 架 结 构，本 文介 绍 了 配 套 裙 房 钢 框 架 结 构 梁柱 的 节 点 分 析，根 据 业 主 要 求 及 建 筑 设 计 师 意 见，裙 房 钢 框 架梁、柱 构 件 需 全 部 采 用 圆 管 型 截 面。项 目 所 处 地区 抗 震 设 防 烈 度 为度，设 计 地 震 分 组 为 第 一组，设 计 基 本 地 震 加 速 度 值，类 场 地。根 据 建 筑 工 程 抗 震 设 计 规 范（）第 条 判 断，钢 框 架 结 构 体 系 平 面与 立 面 均 不 规 则。结 构 抗 震 等 级 为 四 级，钢 材 采用。裙 房 二 层 结 构 楼 板 采 用 压 型 钢 板 组 合楼 板，组 合 楼 板 厚（中 间 步 行 桥 为），压 型 钢 板 为 闭 口 型，厚；裙 房屋 面 为 采 光 玻 璃 坡 屋 面，周 边 围 护 为 玻 璃 幕 墙 系统。梁柱 节 点 位 置 见 裙 房 结 构 平 面 布 置 图所 示。从 图中 可 以 看 出，裙 房 结 构 平 面 及 立 面 布置 均 不 规 则。因 此，为 确 保 结 构 设 计 的 安 全 可靠，设 计 时 采 用 了 几 个 不 同 的 结 构 计 算 软 件 并 进行 了 几 种 不 同 形 式 的 结 构 分 析 工 作。某不规则钢框架结构及其梁柱节点分析罗 青 儿?图 结构平面布置 结 构 分 析 小 震 作 用 下 弹 性 分 析由 于 该 项 目 为 实 际 工 程，为 适 应 主 体 结 构 设计 的 需 要，采 用软 件 系 列 之模 块进 行 分 析 与 设 计，并 运 用进 行 分 析 对比。采 用与的 对 比 分 析 时，场地 特 征 周 期取，水 平 地 震 影 响 系 数 最 大值取。整 体 刚 度小 震 分 析 中，在 进 行 结 构 整 体 模 型 计 算 时，忽 略 楼 板 对 结 构 整 体 刚 度 的 贡 献，且 所 有 钢 梁 在进 行 构 件 设 计 时 也 均 不 考 虑 组 合 楼 板 翼 缘 的 作用，因 此 在与分 析 时，钢 梁 刚度 调 整 系 数 均 取，即 不 调 整；同 时，在 结 构计 算 分 析 中 对 于 组 合 楼 板 采 用 弹 性 膜 模 拟，二 层连 廊 两 侧 及 屋 面 玻 璃 顶 棚 则 为 楼 板 开 洞，玻 璃 顶棚 荷 载 根 据 幕 墙 设 计 提 资 以 点（线）荷 载 形 式 施 加于 支 撑 钢 梁 上。分 析 指 标 对 比 见 表所 示。从 表中 可 以 看 出，两 种 软 件 计 算 所 得 周 期 与 总 质 量接 近，可 以 认 为 所 选 用 计 算 软 件 合 理，其 计 算结 果 可 靠；在 表中 还 可 以 看 出，无 论 是还 是，其 分 析 所 得 到 的 裙 房 钢 框 架结 构 层 间 位 移 角 均 远 小 于 规 范 所 要 求 的限 值，即 可 认 为 框 架 梁、柱 采 用 圆 管 型 截 面 的钢 框 架 结 构 体 系 具 有 较 强 的 整 体 刚 度，能 满 足国 家 及 上 海 相 关 规 范 中“小 震 不 坏”的 性 能 水 准要 求。表小 震 作 用 下与分 析 指 标 对 比 主 要 指 标计 算 软 件周 期 （）（）（）（）（）（）最 大 层 间位 移 角向（屋 面）（屋 面）向（二 层）（二 层）结 构 总 质 量 构 件 强 度模 型 分 析 所 得 构 件 应 力 比 表 明，模型 中 圆 钢 管 梁 的 最 大 应 力 比 为，圆 钢 管 钢 柱的 最 大 应 力 比 为，且 仅 为 个 别 构 件，大 多 数构 件 的 应 力 比 均 小 于 此 值 较 多；而 在模型 中，圆 钢 管 梁 的 最 大 应 力 比 为，圆 钢 管 柱的 最 大 应 力 比 为，也 是 仅 为 个 别 构 件 应 力 比达 到（或 接 近）此 值，大 多 数 构 件 的 应 力 比 要 较 此值 小 较 多。从 二 者 分 析 所 得 应 力 比 的 结 果 来 看，年 月第 卷第 期 与分 析 所 得 结 果 也 是 接 近 的，再 次 验 证 了 模 型 分 析 及 施 工 图 设 计 所 选 用软 件 的 可 靠 性。构 件 稳 定 性因 结 构 体 系 中 存 在 较 多 穿 层 柱，在 竖 向 荷 载作 用 下，对 于 穿 层 柱，其 长 细 比 较 大，容 易 发 生侧 向 失 稳。与模 型 的 分 析 结 果也 表 明，分 析 所 得 穿 层 柱 最 大 长 细 比 为，分 析 所 得 穿 层 柱 最 大 长 细 比 为，二 者 均 小 于 按 建 筑 抗 震 设 计 规 范（）之 规 定 计 算 所 得 长 细 比 限 值。考虑 到 框 架 梁、柱 截 面 均 为 圆 钢 管，根 据 图所示，并 参 考 高 层 民 用 建 筑 钢 结 构 技 术 规 程（）中 圆 钢 管 柱 之 规 定，计 算 可 得 构 件的 径 厚 比 小 于 ，可 认 为 框 架 梁、柱 构 件 不 会 发 生 局 部 屈 曲。大 震 不 屈 服 分 析鉴 于 配 套 裙 房 平 面 及 立 面 布 置 均 不 规 则，且框 架 梁 截 面 又 采 用 较 少 使 用 的 圆 钢 管 截 面，为 保证 结 构 体 系 在 正 常 使 用 过 程 中 的 安 全，补 充 了模 型 的 大 震 不 屈 服 分 析 验 算。大 震 分 析时，场 地 特 征 周 期取，水 平 地 震 影 响 系数 最 大 值取。分 析 结 果 表 明，钢 框 架 裙房 的向 层 间 位 移 角 为（屋 面 层 位 置），方 向 层 间 位 移 角 为（二 层 位 置），均 小 于 规范 要 求 的 弹 塑 性 层 间 位 移 角 限 值，说 明 在 罕遇 地 震 作 用 下，钢 框 架 裙 房 仍 具 有 良 好 的 整 体 刚度，满 足 规 范 所 要 求“大 震 不 倒”的 抗 震 性 能 水 准要 求；此 外，分 析 结 果 还 表 明，圆 钢 管 梁 的 最 大应 力 比 为，圆 钢 管 柱 的 最 大 应 力 比 为，说 明 在 罕 遇 地 震 作 用 下，结 构 体 系 中 的 梁、柱 等构 件 也 可 确 保 不 屈 服。动 力 弹 性 时 程 分 析参 照 国 家 及 上 海 的 抗 震 设 防 专 项 审 查 技 术要 求，本 项 目 在 设 计 过 程 中，增 加 了模 型 的 小 震 下 动 力 弹 性 时 程 分 析（地 震 动 峰值 加 速 度 取），分 析 结 果 汇 总 如 表所示。从 表可 以 看 出，结 构 底 部 剪 力 能 够 满 足规 范 规 定 的“每 条 时 程 曲 线 所 得 结 构 底 部 剪 力 应大 于 反 应 谱 分 析 所 得 结 构 底 部 剪 力 的、多条 时 程 曲 线 所 得 结 构 底 部 剪 力 平 均 值 应 大 于 反应 谱 分 析 所 得 结 构 底 部 剪 力 的”的 要 求，表 明 本 次 动 力 弹 性 时 程 分 析 中 地 震 波 选 择 恰 当；动 力 弹 性 时 程 分 析 所 得 最 大 层 间 位 移 角 包 络 值小 于 规 范 反 应 谱 法（）的 计 算 值，表 明 以的 振 型 分 解 反 应 谱 法 进 行 分 析 设 计 是 安全 的。表 模 型 动 力 弹 性 时 程 与 振 型分 解 反 应 谱 法 指 标 对 比 地 震 波基 底 最 大总 剪 力 基 底 总 剪 力 与 振 型分 解 法 的 比 值最 大 层 间位 移 角方 向 振 型 分 解反 应 谱 法 方 向 振 型 分 解反 应 谱 法 关 键 节 点 有 限 元 分 析以 上 分 析 均 从 整 体 及 构 件 的 基 础 上 论 证 了梁、柱 均 采 用 圆 钢 管 的 钢 框 架 结 构 体 系 的 安 全 与可 靠。但 从 构 件 到 结 构 整 体，构 件 间 的 连 接 也 是至 关 重 要 的。正 如 前 文 所 述，在 钢 框 架 结 构 的 实际 设 计 过 程 中，框 架 梁 采 用 圆 钢 管 截 面 型 式 的 很少，对 由 全 圆 钢 管 截 面 组 成 的 钢 框 架 梁柱 节 点研 究 也 很 少，而 可 用 于 指 导 实 际 工 程 结 构 设 计 的更 少。为 此，参 照 一 般 工 程 实 际 做 法，本 项 目 在设 计 过 程 中 补 充 了个 典 型 节 点 的 实 体 有 限 元模 型 分 析，以 论 证 全 圆 钢 管 框 架 梁柱 节 点 的 可靠 性。有 限 元 模 型 分 析 中，钢 管 柱 上 端 施 加、方 向 水 平 位 移 约 束，其 他 自 由 度 释 放，钢 管柱 下 端 施 加、方 向 的 水 平 位 移 约 束 及向 的竖 向 位 移 约 束，其 他 自 由 度 释 放，其 长 度 取 其梁 柱 节 点 附 近 柱 壁 厚 特 别 加 厚 区；钢 管 梁 梁 端均 为 自 由 端，未 施 加 任 何 约 束，其 长 度 按 钢 结构 构 件 深 化 设 计 时 钢 管 梁 的 实 际 拼 接 点 确 定；框 架 梁、柱 构 件 的 荷 载 取 自 前 文模 型 的小 震 弹 性、大 震 不 屈 服 分 析 所 得 构 件 的 内 力，现 简 述 如 下。某不规则钢框架结构及其梁柱节点分析罗 青 儿?节 点 一该 节 点 位 置 如 图所 示，模 型 分 析所 得 支 座 位 置 各 构 件 内 力 如 表所 示，模 型 示 意如 图所 示。建 模 时，长 度 取 节 点 位 置 钢 管梁 上、下 各，、长 度 取 自支 座 外 起 算，长 度 取 自 支 座 外 起 算。考 虑 到内 力 取 自 节 点 支 座 位 置，而 节 点 有 限 元 模 型 分 析 中 的 荷 载 却 施 加 于 各 构 件端 部，因 此 需 根 据 荷 载 等 效 原 则，将 节 点 位 置 的 内力 进 行 相 应 的 换 算，具 体 方 法 如 下：）将 各 构 件 的支 座 剪 力 施 加 于 构 件 端 部；）根 据 弯 矩 等 效 原 则 以及 各 构 件 的 长 度，推 算 出 施 加 于 构 件 端 部 的 弯 矩。以为 例，其 长 度 为，根 据 表所 示，在 大 震 不 屈 服 分 析 时，其 支 座 位 置 梁 端 剪 力 为，梁 端 弯 矩 为，则 有 限 元 分 析 中梁 端 施 加 竖 向 荷 载 为，梁 端 施 加 的 弯 矩 为 （）。经 分析，节 点 一 的 应 力 云 图 见 图，从 图 中 可 以 看 出节 点 一 的 构 件 应 力 要 小 于 钢 材 的 强 度 指 标，故 可认 为 该 节 点 安 全 可 靠。表节 点 一模 型 节 点 内 力 节 点 一大 震 不 屈 服 分 析小 震 弹 性 分 析弯 矩（）剪 力轴 力弯 矩（）剪 力轴 力 图 节点一几何模型 节 点 二该 节 点 位 置 如 图所 示，模 型 分 析所 得 支 座 位 置 各 构 件 内 力 如 表所 示，模 型 示 意如 图所 示。建 模 时，长 度 取 节 点 位 置 钢 管梁 上、下 各，长 度 取 自 支 座 外 起 算，长 度 取 自 支 座 外 起 算，长 度 取 自 支 座 外 起 算，长 度 取 自 支 座外 起 算。荷 载 施 加 及 推 算 参 见 节 点 一。经分 析，节 点 二 的 应 力 云 图 见 图，从 图 中 可 以 看出 节 点 二 的 构 件 应 力 要 小 于 钢 材 的 强 度 指 标，故可 认 为 该 节 点 安 全 可 靠。图 节点一应力云图（单位：）（：）表节 点 二模 型 节 点 内 力 节 点 二大 震 不 屈 服 分 析小 震 弹 性 分 析弯 矩（）剪 力轴 力弯 矩（）剪 力轴 力 图 节点二几何模型 年 月第 卷第 期 图 节点二应力云图（单位：）（：）构 造 设 计以 上 分 析 均 从 计 算 上 论 证 了 本 项 目 中 框 架梁、柱 采 用 圆 钢 管 钢 框 架 结 构 体 系 的 安 全 与 可靠，并 为 指 导 该 工 程 结 构 设 计 提 供 了 充 分 的 依据。考 虑 到 本 项 目 结 构 体 系 的 特 殊 性，工 程 实 施过 程 中，又 从 构 造 上 做 了 加 强 及 要 求。如 图所示，梁柱 节 点 位 置 适 当 增 设 加 劲 肋；梁柱 节 点位 置 上 下 范 围 适 当 加 厚；梁柱 节 点 要 求 工厂 全 熔 透 焊 接，梁梁 连 接 采 用 图 示 的 斜 剖 全 熔透 焊 接，并 增 设 内 衬 管。图 加劲肋设置示意（单位：）（：）截 面 分 析结 构 设 计 当 中，除 考 虑 安 全 可 靠 之 外，经 济适 用 也 是 应 该 追 求 的。基 于 梁 的 受 力 特 点，以 构件 材 料 用 量 相 等 为 原 则，通 过 分 析 对 比 圆 管 型、箱 型 及 工 字 型 截 面（图）的 物 理 力 学 性 能 指标 截 面 惯 性 矩，可 以 在 结 构 设 计 中 合 理 选用 结 构 构 件 截 面 形 式，获 得 较 大 的 材 料 利 用 率。分 析 中 假 定 各 种 形 式 截 面 的 截 面 积、壁 厚及截 面 高 度相 同，但 截 面 的 宽 度各 不 相 同，分析 结 果 见 表所 示。从 表 中 可 以 看 出，相 同 的 材料 用 量，圆 管 型 截 面 所 能 获 得 的 截 面 惯 性 矩最小，其 次 是 箱 型，而 工 字 型 截 面 所 能 获 得 的 截 面惯 性 矩 最 大。因 此，使 用 相 同 的 材 料 用 量，对 于受 弯 构 件，工 字 型 截 面 可 以 获 得 最 大 的 抗 弯 刚度，结 构 设 计 中 应 尽 可 能 选 用 此 类 截 面。图 构件截面形式 表截 面 惯 性 矩 比 较 截 面 形 式截 面 惯 性 矩惯 性 矩 比 值圆 管 型（）箱 型 工 字 型 注：，因 一 般，在 计 算 惯 性 矩 比 值 时，可 取，则 可 得 表 中 数 值。结 论经 过 合 理 的 分 析 与 设 计，圆 钢 管 截 面 可 以应 用 在 钢 框 架 结 构 设 计 中。全 圆 钢 管 截 面 型 式 的 钢 框 架 梁柱 节 点 具有 良 好 的 抗 震 性 能。为 提 高 结 构 设 计 的 经 济 性，结 构 设 计 中 若判 断 构 件 以 受 弯 为 主，则 建 议 构 件 截 面 型 式 应 尽可 能 采 用 工 字 型。参 考 文 献 建 筑 抗 震 设 计 规 范（年 版）（）钢 结 构 设 计 标 准 高 层 民 用 建 筑 钢 结 构 技 术 规 程 中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部建 质 号超 限高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 专 项 审 查 技 术 要 点 年月日 上 海 市 城 乡 建 设 和 管 理 委 员 会沪 建 管 号上 海市 超 限 高 层 建 筑 抗 震 设 防 管 理 实 施 细 则 年月日