王 迪 张晓东 郑 君
(辽宁工业大学, 辽宁锦州 121000)
摘 要：某车站站台雨篷钢结构具有体型及跨度较大、构造复杂,结构分析难度大,存在温度变形和温度应力且结构安全性要求较高等特点。采用有限元软件ANSYS对结构进行模拟分析,模拟了大跨度钢结构雨篷的受力状况和变形,计算了主要构件和节点的稳定性,验算了结构的安全性。通过模拟分析得出结论：该大跨度钢结构雨篷受力合理,结构安全。
关键词：钢结构; 雨篷; 大跨度; 稳定性; 有限元分析
大跨度钢结构雨篷,由于跨度较大再加上现阶段设计、施工技术的局限,无法完全控制其结构上的各种荷载作用可能对结构产生的各种不利影响,包括大面积的屋面风荷载、温度变化荷载、雪荷载、堆积荷载不均匀分布等[1]。对于此类雨篷,若设计或施工不当很可能发生垮塌事故,甚至破坏建筑物的主体结构。再者由于是车站等公共建筑,需要综合考虑规划、实用、美观等因素的影响和制约,大跨度雨篷的结构设计至关重要[2]。
某车站站台雨篷钢结构纵向总长度470.6 m,刚架为两跨,长跨跨度43.53 m,短跨跨度19.5 m,长跨外侧悬挑6.0 m。本工程采用以钢管混凝土柱支承的三角形立体钢管桁架构成平面刚架、纵向通过设置柱间桁架、屋面檩条及支撑构件等形成整体的结构体系。
本工程设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第一组。
具有体型及跨度较大,构造复杂,结构分析难度大,存在温度变形和温度应力且结构安全性要求较高等特点。因此对结构方案在荷载作用下进行模拟分析，以确定结构的稳定性和安全性。
某车站站台雨篷钢结构纵向总长度470.6 m,共划分A(①—⑦轴)、B(⑦
图1 站台雨篷温度区段示意
图2 刚架GJ1示意
A、D、E 3个温度区段内平面刚架形式基本相同,典型刚架GJ1如图2所示。钢管混凝土柱为双肢柱,双肢垂直于刚架平面设置。拱形钢管桁架为三角形截面,上弦单肢,下弦双肢,各榀平面刚架间距均为18.0 m。钢桁架及钢柱采用Q345B级钢,无缝钢管或钢管采用高频焊管;檩条采用Q345B级热轧H型钢;屋面支撑采用Q235B级钢。
B、C两个温度区段内采用的典型平面刚架GJ2如图3所示。GJ2也分两跨,结构形式与GJ1类似,不同之处在于GJ2取消了长跨边柱及悬挑桁架,拱形桁架直接支承在钢筋混凝土柱上。
图3 刚架GJ2示意
对比分析GJ1和GJ2, 为了确保结构能安全可
靠地完成预定使用功能,本文以GJ1为例进行分析。
3.1 计算模型
模拟分析根据现行国家、地方或行业相关设计规范或规程[3-9]及锦州铁道勘查设计院有限公司提供的设计资料,包括钢结构设计施工图、钢结构最不利荷载条件等。采用大型通用有限元软件ANSYS进行了模拟分析,计算模型见图4。
图4 GJ1计算模型
3.2 荷载组合
模拟分析中,考虑两种工况的荷载组合。
组合1:1.2恒载+1.4(风载+0.7活载)+温度作用(-30 ℃)。
组合2:1.2恒载+1.4(风载+0.7活载)+温度作用(+30 ℃)。
3.3 分析结果
荷载组合1作用下GJ1的应力、内力和变形如图5所示，整体结构分析结果见表1。
a—应力，MPa;b—轴力，kN;c—弯矩，kN\5m。
图5 荷载组合1作用下GJ1的计算结果
表1 整体结构分析结果(GJ1)
荷载效应拉应力/MPa压应力/MPa轴力/kN正弯矩/(kN·m)负弯矩/(kN·m)挠度/mm最大值131.6-120.231763515.27-432.29100出现位置长跨与短跨交接处的上弦杆长跨跨中的上弦杆长跨与短跨交接处的上弦杆管桁架与左端钢柱GZ1交接处管桁架与右端钢柱GZ1交接处长跨跨中满足条件<><><>
由表1分析结果可知,各构件的强度满足要求。
荷载组合2作用下GJ1的应力、内力和变形如图6所示，整体结构分析结果见表2。
由表2分析结果可知,各构件的强度满足要求。
3.4 构件稳定性验算
3.4.1 钢柱一(GZ1)稳定性验算
a—应力，MPa;b—轴力，kN;c—弯矩，kN\5m。
图6 荷载组合2作用下GJ1的计算结果
表2 整体结构分析结果(GJ2)
荷载效应拉应力/MPa压应力/MPa轴力/kN正弯矩/(kN·m)负弯矩/(kN·m)挠度/mm最大值116.24-110.821587626.48-601.8478出现位置长跨与短跨交接处的上弦杆长跨跨中的上弦杆长跨与短跨交接处的上弦杆管桁架与左端钢柱GZ1交接处左端钢柱GZ1柱脚处长跨跨中满足条件<><><>
f=295 MPa
其中
式中:N为所计算构件段范围内的轴心压力
GZ1稳定性验算满足要求。同理,GZ2稳定性也满足要求。
3.4.2 弦 杆
由于弦杆的计算长度小,截面较大,长细比很小,故稳定影响可忽略。
3.4.3 腹 杆
腹杆稳定性验算(按轴心受压构件进行验算)：
现选取最不利腹杆(长跨与短跨交接处的腹杆)杆件进行验算,代入
3.4.4 节点承载力验算
上弦和下弦节点承载力均按KK节点计算节点承载力,选取腹杆受力最不利的节点进行承载力验算。
表3 腹杆稳定验算
lx=ly/mλx=λy=ly/iyφN/kNNφA/MPa3.15663.120.694-315.48101.97
1)上弦节点承载力验算。
选取腹杆受力最不利的节点(长跨与短跨交接处的受压腹杆)进行承载力验算,最不利节点的轴力N=-315.48 kN。上弦截面φ351×16，腹杆截面φ152×10。N=315.48
其中
式中:Npjckk为K形节点相应支管承载力设计值;Npjckk受压或受拉支管在管节点处的承载力设计值;θc为受压支管轴线与主管轴线之夹角;d为主管的外径;t为杆件厚度;φn为参数,当节点两侧或一侧主管受拉时,则取φn=1;φd为参数;φa为参数,本例取1.44;f为主管钢材的抗拉抗压强度设计值。
2) 下弦节点承载力验算。
选取腹杆受力最不利的节点进行承载力验算,受压支管(长跨与短跨交接处的受压腹杆),轴力N=-315.48 kN,受拉支管(长跨与短跨交接处的受拉腹杆),轴力N=261.33 kN。下弦截面φ351×16，腹杆截面φ152×10。N=315.48
3.4.5 A区檩条稳定性验算
式中:Mx、My为同一截面绕x、y轴的弯矩;φb为整体稳定系数;Wnx、Wny为对x、y轴的净截面模量;γy为截面塑性发展系数;f为钢材抗弯强度设计值;l为构件长度;i为构件截面对主轴的回转半径。稳定性满足要求。
本文结合工程设计过程,模拟了此结构的受力状况和变形,计算了主要构件和节点的稳定性,验算了构件的安全性,确定了结构设计方案。可为同类大跨度钢结构雨篷工程设计提供参考。
参考文献
[1] 田永胜. 体育场双挑篷风荷载及风振响应干扰效应研究[D].长沙:湖南大学. 2009.
[2] 王从远.浅谈悬挑雨篷[J].魅力中国,2010(8):346.
[3] GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].
[4] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].
[5] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].
[6] JGJ 61—2003 网壳结构设计规程[S].
[7] JGJ 81—2002 建筑钢结构焊接技术规程[S].
[8] CECS 102∶2002(2012年版) 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].
[9] CECS 28∶2012 钢管混凝土结构设计与施工规程 [S].
Wang Di Zhang Xiaodong Zheng Jun
(Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000， China)
ABSTRACT：The steel canopy of a station platform has the problems of large scale, long span, complicated structure, temperature deformation, temperature stress, and high-level security requirements. It is very difficult to carry out structure analysis. The finite element software ANSYS was used to simulate and analyze the structure, as well as the stress state and deformation of the long-span steel canopy structure. The stability of main components and node were calculated so as to verify the safety of the structure. Through the simulation and analysis, the results showed that the long-span steel canopy had reasonable stress and safety structure.
KEY WORDS：steel structure; canopy; long-span; stability; finite element analysis
收稿日期：2015-11-28
DOI:10.13206/j.gjg201604011
第一作者：王迪,女，1990年出生，硕士。
Email:vvwangdi@163.com
联系客服
