智慧城市生活体验馆钢结构设计分析研究.pdf

交通与土木工程河南科技Henan Science and Technology总第807期第13期2023年7月收稿日期：2022-12-08作者简介：赵勇（1987），男，硕士，工程师，研究方向：钢结构设计分析；孙佳佳（1990），男，硕士，研究方向：建筑与土木。智慧城市生活体验馆钢结构设计分析研究赵勇孙佳佳（安徽寰宇建筑设计院，安徽合肥230051）摘要：【目的目的】针对大跨度钢结构梁柱转换关键节点、超长结构楼板温度裂缝等问题，对智慧城市生活体验馆进行钢结构设计分析研究。【方法方法】基于关键节点的数值模拟、超长混凝土温度控制技术对超长混凝土楼板升温降温进行模拟分析。【结果结果】结果表明：本研究提出的大跨度钢结构梁柱转换关键节点构造加强措施方案科学合理，超长结构楼板温度裂缝控制措施在实践中能有效降低温度裂缝的出现。【结论结论】本研究为同类钢结构工程设计提供技术参考。关键词：钢结构；大跨度转换梁；温度裂缝控制中图分类号：TU391文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0090-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.018Analysis and Research on Steel Structure Design of Smart City LivingExperience MuseumZHAO YongSUN Jiajia（Anhui Huanyu Architectural Design Institute，Hefei 230051，China）Abstract:Purposes Aiming at the key nodes of beam-column conversion of large-span steel structureand the temperature cracks of super-long structural floor,the steel structure design of smart city life experience pavilion was analyzed.Methods Based on the numerical simulation analysis of key nodes andthe temperature control technology of super-long concrete,the temperature rise and cooling of super-long concrete floor were simulated and analyzed.Findings The results show that the scheme of structural strengthening measures for key joints of beam-column transfer of long-span steel structure proposed in this study is scientific and reasonable.The temperature crack control measures of super longstructure floor can effectively reduce the occurrence of temperature cracks in practice.ConclusionsThis study provides a technical reference for the design of similar steel structures.Keywords：steel structure;long-span transfer beam;temperature crack control0引言随着钢结构公共建筑数量的日益增多，无论是经济效益，还是环保效益，相较于传统建筑结构均具有明显优势，但因建筑方案设计要求不断提高，更多的超长结构、复杂建筑外观造型结构面临着温度应力控制、平面不规则、竖向不规则等问题。如何有效解决超长结构的温度应力裂缝控制问题，复杂钢结构抗震加强措施成为钢结构设计分析中重要的研究课题。通过设计实践以及紧密结合智慧城市生活体验馆钢结构设计实例，本研究提出一些可行的超长结构楼板设计方案、大跨度钢结构转换梁节点的加强措施，为同类钢结构建筑设计提供借鉴1。第13期911工程概况本研究以北京城房 亳州欢乐世界智慧城市生活体验馆项目为案例，该项目位于亳州市谯城区神农大道与紫苑路交叉口西南侧，建筑总高约21 m，局部有地下室，地上四层,1层层高为5.7 m，2层及以上标准层层高5.1 m，结构采用钢框架（局部有中心支撑）体系，基础采用桩基础；工程设计使用年限为50 a，建筑结构的安全等级为二级，建筑耐火等级为二级，基础设计等级为乙级。建筑场地类别为类，场地的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速值为 0.10g，该场地地震动峰值加速度max调整系数Fa为1.25。设计特征周期取0.55 s，设计地震分组为第二组。智慧城市生活体验馆概况见表1。智慧城市生活体验馆实景如图1所示。表1智慧城市生活体验馆概况类型地下室层高高度地面以上建筑层数层高平面尺寸数据参数局部负一层4.5 m结构屋面21 m4层首层5.7 m；标准层5.1 m97.8 m*44.8 m图1智慧城市生活体验馆实景2钢结构体验馆设计特点和加强措施北京城房 亳州欢乐世界智慧城市生活体验馆为多层公共建筑，建筑形体上就像海上的一艘巨型游艇（船头倾斜角度约60），长宽为104 m44 m；船头一、二层区域中间形成约700 m2挑空中庭；三、四层主体结构竖向抗侧构件又落在二层顶部的大跨转换梁上；建筑屋顶增加尾部出挑约15 m的造型钢结构桁架；其特殊的象形形体需求、楼板不连续、竖向抗侧构件不连续、船头局部斜柱给结构设计带来了较大的挑战。针对该建筑的功能特点、节能绿色环保需求，其整体结构方案最终选用钢框架结构体系（含局部中心支撑）；在初步确定该象形建筑多层钢结构设计方案后，经过PKPM软件计算和结构概念分析判断，该结构存在四个不规则项，分别为：规则建筑考虑偶然偏心的扭转位移比 1.04（X）/最大层间位移比 1.21（Y）；二层结构楼板开洞面积26%，有效楼板宽度小于该楼层典型宽度的50%；竖向抗侧力构件不连续（9轴/C轴、9轴/D轴、10轴/C轴、10轴/D轴钢柱在三层（10.8 m）通过大跨度转换梁转换）；局部有斜柱，存在局部不规则。因生活体验馆主体钢结构具有四个不规则项，故该钢结构建筑为特别不规则多层建筑，通过组织召开钢结构抗震规则性专家论证会，听取专家的建议：明确性能目标，补充关键构件的中震弹性设计；进一步调整结构布置，使两个方向动力特性接近；补充楼盖应力分析，合理选取地震波，完善大震分析；对大跨转换构件等重要构件采取加强措施；进一步完善关键节点的设计和计算分析。针对本工程超限情况及计算分析的结果，在设计中采取以下措施保证本结构的抗震性能2-3。该结构纵向长度97.8 m，未设温度变形缝，针对楼板可能存在的温度裂缝做了专门的分析计算，为防止超长楼板因温度影响造成的裂缝，采用了钢筋桁架楼承板裂缝控制技术（掺钢纤维、大面积混凝土采用跳仓法施工）。因该建筑楼板超长且未设置后浇带，采取跳仓法的施工措施，早期对混凝土应力尽量释放，并在框架柱周边设置楼板加强钢筋，后期利用混凝土自身及钢纤维的抗拉能力来最大程度防止（限制）混凝土的裂缝4（钢纤维掺量取2025 kg/m3，0.8%1.0%的最佳钢纤维掺量，楼板施工完成后实际整体效果较好。针对薄弱部位及重要构件、节点采取比规范更严格的构造要求，如9轴28.6 m大跨度托柱转换钢梁，按照转换梁地震内力调整，系数取1.8进行构件设计，并根据罕遇地震作用下的结构计算分析结果及节点有限元分析，有针对性地对构件节点部位进行构造加强，提高结构在罕遇地震作用下的抗震能力。对大开洞周边连廊连接楼板、竖向转换柱区域楼板采取加强措施，楼板的厚度不小于 200 mm，并按双层双向配筋，且每个方向的配筋率不小于0.25%，确保在地震过程中楼板能够有效传递楼层剪力，提高其结构的整体抗震性能 2。屋顶造型钢结构桁架参与主体钢结构整体计算，计算考虑主体结构与屋顶构架相互作用的影响，并针对支座生根位置做节点构造加强。赵勇，等.智慧城市生活体验馆钢结构设计分析研究92第13期3体验馆钢结构关键节点设计方案及数值模拟分析3.1关键节点设计方案智慧生活体验馆三层大跨度转换梁上起柱关键节点设计尤为重要，其中三层28.6 m大跨度钢结构转换梁上起柱的复杂关键节点大样的设计方案如图2所示。因为该复杂钢结构的节点对整个智慧生活体验馆钢结构设计质量有着较大的影响，根据梁柱节点大样设计方案，以ABAQUS有限元分析软件为平台建立有限元模型，对大跨度转换梁柱节点区域应力的分布进行有限元数值模拟分析来指导、支撑项目的设计，保证复杂节点局部稳定和安全3。3.2关键节点数值模拟分析ABAQUS有限元分析软件具有丰富的材料模型库和单元库，不但可以模拟简单的线性分析问题，而且可以模拟较复杂的非线性问题5，可以自动选择合适的荷载增量法和收敛法。钢结构材质属于均匀性、各向同性的均匀形变材料，在弹性应变区间具有良好的线性关系，但在应力超过材质屈服值后，关系呈非线性关系，且形变不可恢复。本研究采用简化的双折线本构关系模型作为节点有限元分析中钢材属性的模拟分析依据，在软件中选用材料力学中第四强度理论（Von Mises屈服准则）自动生成钢材的三维本构关系4，如图3所示。当钢材的应力达到屈服强度fy后，钢材进入塑性强化段，之后钢材的应力会随应变的增加继续增加，但增长速率较弹性段减小。对复杂钢结构关键节点进行有限元建模，具体步骤如下。O(y)ss，yu，u()EEss图3钢材的简化双折线本构模型在Part(部件)模块中，对节点设计方案对象的几何尺寸创建各板件的组成部件。在ABAQUS有限元软件中选择三维可变形壳体定义钢板。创建材料和截面属性。在Property模块中定义Q355B钢材的材料性能，其本构关系采用简化的双折线本构模型。定义装配件。在Assembly模块中，匹配各部件拼接的几何位置相对关系，将钢板加劲肋、钢柱及转换梁等部件实例化，装配形成整体模型。设置分析步。在Step模块中，按该梁柱节点在工程中位置、工况加载的过程设置两个分析步。在初始分析步initial中设置模型的边界约束条件；在step-1分析步中添加施加面上的荷载，对各个分析步创建场输出、历程输出。定义施加荷载与边界约束条件。在Load模块中，在initial分析步下设置约束边界条件，在step-1分析步中，提取YJK中杆件模型采集的杆件内力值转化成杆件上的面荷载施加在作用面上。划分网格。在Mesh模块中对各部件进行网格划分，钢板采用四节点有限模应变线性减缩积分壳单元，并进行沙漏的控制。在Job模块中创建新的作业Job，设置模型数据后进行计算 5。可视化后处理。在Visualization模块中查看节点模拟分析的结果，得到预定目标数据并分析所关注的应力云图、变形云图如图4至图8所示。图2梁上起柱平面大样（单位：mm）横向隔板 t=36横向隔板 t=36-16 上下腋板8005506003005004503005006008001501501515梁宽梁宽梁宽赵勇，等.智慧城市生活体验馆钢结构设计分析研究第13期93图4主梁应力分布图图5柱应力分布图图6主梁纵横隔板应力分布图图7梁上柱纵横隔板应力分布图图8节点应力云图基于YJK整体模型中钢结构梁柱复杂关键节点中各个杆件内力数值，从有限元分析模拟分析结果来看，梁柱节点柱脚钢板拐角处节点应力集中达到最大的340.5 MPa，但是仍然未达到钢材自身的屈服应力，且各个构件板件连接区域其应力均大于周围母材其他区域，特别是钢柱中纵隔板位置的应力情况极为明显，比周围区域应力更加集中，各部分板件应力数值大多在153345 MPa之间，节点应力与钢结构设计要求相一致。整合处理所建立模型的有限元分析结果，在实际设计节点构造时，可在钢柱柱底部设置能够起到加强节点构造作用的加劲肋，确保梁上起柱关键节点设计合理性。此外，鉴于对智慧生活体验馆钢结构关键部位特殊性的综合考虑，可适当增添支撑构件，进一步增强整体结构的稳定性。另外，智慧生活体验馆关键部位钢结构防火性也非常重要。根据关键部位所需要防护构件性质，需要采取针对性防护措施，如选择耐火钢、防火保护等，确保体验馆钢结构关键部位设计质量无任何问题 6。4结论通过对北京城房 亳州欢乐世界智慧城市生活体验馆项目中设计重点、难点进行实例分析，在不影响建筑使用功能和结构质量的前提下，除了进行设计常规的计算分析外，重点对三层大跨度钢结构梁柱转换关键节点构造加强提出了措施方案，对节点数值模拟分析提供数据支持。另外，对超长结构楼板温度裂缝控制进行了计算分析，提出避免或限制楼板温度裂缝出现和增加的加强措施。本研究解决了在该项目设计上的关键技术难题，并指导该项目施工工作，保证了建筑结构的施工质量，为同类工程设计施工提供了借鉴。参考文献：1 叶芳.离心钢管混凝土管桩抗弯性能研究 D.合肥：合肥工业大学，2016.2 张若玉.超高层建筑结构设计分析及结构方案对比研究 D.合肥：安徽建筑大学，2015.3 胡栋.某复杂多层钢框架结构分析与设计 J.低温建筑技术，2019，41（3）：29-32.4 王为民.预应力离心钢管混凝土管桩（PSC桩）抗震性能研究 D.合肥：合肥工业大学，2017.5 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析 M.北京：中国建筑工业出版社，2013.6 但泽义，柴昶，李国强，等.钢结构设计手册（上册）M.北京：中国建筑工业出版社，2019.赵勇，等.智慧城市生活体验馆钢结构设计分析研究