医院风雨连廊-异型钢框架结构设计分析.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤医院风雨连廊要异型钢框架结构设计分析邵建华1袁王勇1袁张湲媛1袁王展光2袁秦占磊3渊1江苏科技大学土木工程与建筑学院袁江苏镇江 212003曰2凯里学院建筑工程学院袁贵州凯里556011曰3贵州中建伟业建设渊集团冤有限责任公司袁贵州凯里556000冤摘要文章对医院风雨连廊要异型钢框架结构进行设计分析袁并使用有限元软件 SAP2000 对结构进行数值模拟遥 根据结构抗震设计理念袁从自振周期尧应力比尧挠度等方面对异型钢框架结构进行强度和变形分析遥 由分析的结果可知院结构的第一振型周期为 0.977 s曰结构构件的最大应力比为 0.806袁所有构件应力比均小于 1曰在恒载+活载作用下袁整体结构最大竖向位移为 35.7 mm袁约为跨度的 1/549曰在恒载及活荷载单独作用下袁整体结构最大绝对竖向位移分别为 27.4 mm 和 13.7 mm袁分别为跨度的 1/719 和 1/1 337袁均小于规范限值袁满足设计要求袁结构合理遥关键词异型钢框架结构曰数值模拟曰计算与分析中图分类号 TU391.5文献标志码 B文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0028-05Design and Analysis of Special-shaped Steel Frame Structure for Wind-rain ResistingCorridor in HospitalSHAO Jianhua1WANG Yong1ZHANG Yuanyuan1WANG Zhanguang2QIN Zhanlei3渊1.Civil Engineering&Architecture College,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003 China;2.School of Architectural Engineering,Kali University,Kali Guizhou 556011 China;3.Guizhou Zhongjian Weiye Construction(Group)Co.袁 Ltd,Kali Guizhou 556000 China冤Abstract院The special-shaped steel frame structure for wind-rain resisting corridor in a hospital is designedand then was numerically simulated by finite element software SAP2000.According to the anti-seismic designconcept of structure,the strength and deformation of special-shaped steel frame structure were analyzed fromthe aspects of natural vibration period,stress ratio and deflection.The results show that the first period of thestructure is 0.977s,the maximum stress ratio of structural members is 0.806,and the stress ratio of allmembers is less than 1.Under the combined action of dead and live loads,the maximum vertical displacementis 35.7 mm,about 1/549 of the span.Under the individual action of dead load and live load,the maximumabsolute vertical displacement of the whole structure is 27.4 mm and 13.7 mm,about 1/719 and 1/1337 of thespan.All calculated deflections are less than limit value in the specification requirements,which indicates thatthis structure meet the design requirements,and structural design is reasonable.Key words院steel structural support;numerical simulation;calculation and analysis0引言随着社会经济的发展袁 现代建筑的功能和用途逐渐趋向复杂化和综合化袁因此袁产生了各种综合连体建筑遥由于要满足各部分与主体结构之间相互联系的要求袁 在建筑各部分之间通常会设置连廊袁形成带连廊的结构形式袁这是目前城市建造中收稿日期圆园22鄄12鄄13作者简介邵建华袁男渊1979-冤袁江苏科技大学土木工程与建筑学院袁教授袁研究方向为钢结构理论与设计遥基金项目院黔东南州科技计划项目渊黔东南科合 J 字202262号冤曰贵州省教育厅高等学校科学研究项目渊黔教技2022372号冤曰2022年江苏科技大学本科生创新创业训练计划项目遥28江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤常见的一种建筑结构形式1遥 钢结构具有质量轻尧强度高尧施工工期短等优点袁因此连廊大多采用钢结构的结构形式2遥 连廊的安全性和稳定性在整个结构设计中是非常重要的环节,需要对钢结构连廊设计进行全面分析和研究袁提高建筑连廊结构的安全性和稳定性3遥1项目概况该项目位于镇江市某医院院内袁 建筑面积为1 236.4 m2袁其中西连廊 351.5 m2尧东连廊 576.8 m2尧门厅 308.1 m2遥 风雨连廊为异型钢框架结构袁此结构形式将内科楼尧外科楼尧医技楼尧肿瘤中心与医疗综合楼在第三楼层相连通袁原医技楼入口处增加钢结构门厅袁作为连廊的交通核心遥连廊的主体采用钢框架袁结构形式为异型钢框架结构袁见图 1遥 结构设计使用年限为 50 年袁结构安全等级为二级袁设计地震分组为第 1 组袁建筑场地类别为芋类袁场地特征周期为 0.45 s遥 抗震设防类别为野重点设防冶袁抗震设防烈度为 7 度袁设计基本加速度值为 0.15 g遥 本项目结构设计不仅要满足结构整体性强和刚度高的要求袁还需具有较高的能够承受各种不同荷载作用的抗震能力遥 因此袁项目的结构设计具有一定的难度遥文章对东连廊的异型钢框架结构进行结构设计袁 采用有限元专业分析软件 SAP2000 对其整体结构进行数值模拟遥 根据结构抗震设计理念袁从自振周期尧应力比尧挠度等方面对异型钢框架结构进行强度和变形分析遥2计算模型本项目东连廊为异型钢框架结构渊图 2冤袁结构设计信息如下院渊1冤构件节点设计时袁考虑本项目存在非直角转角的情况袁矩形截面柱子很难满足梁与柱节点连接袁 经研究决定在结构转角处布置圆形截面柱子袁满足钢柱与钢梁的连接遥渊2冤连廊宽度为 4.6 m袁跨度为 84 m袁其中梁的最大跨距为 18 m遥 连廊楼面采用压型钢板组合楼板袁厚度为 125 mm遥 连廊屋面并不是同一高度袁屋面具有一定坡度遥渊3冤结构模型分析时袁钢框架柱与地基连接全部设为刚性节点渊图 3冤遥2.1荷载工况渊1冤恒载主要包括院结构构件自重袁钢构件重量依照 78 kN/m3计算曰考虑电气尧设备荷载袁附加恒载 1.0 kN/m2计遥渊2冤活载院楼面活荷载按 3.5 kN/m2计袁屋面活荷载按 2.0 kN/m2计遥渊3冤温度荷载院结合镇江市当地的温度条件袁具体分为升温 30 益作用和降温 30 益作用遥渊4冤雪荷载和风荷载院镇江市 50 年一遇的雪荷载标准值取为 0.35 kN/m2遥 镇江市 50 年一遇的风荷载标准值取为 0.40 kN/m2遥2.2 荷载效应组合本工程异型钢框架结构为整体受力袁由于钢结构对温度变化比较敏感袁计算中考虑温度荷载的作用袁并研究了温度荷载和风荷载的共同作用遥 结构计算分析中荷载效应组合见表 14-6遥图 1连廊 2 层尧屋面结构平面图图 2三维分析模型图 3分析模型边界条件表 1荷载效应组合挠度计算恒载+活载曰活载曰恒载计算类型荷载效应强度计算1.3 恒荷载+1.5 活荷载曰1.3 恒荷载依1.5 风荷载+1.5伊0.7 雪荷载曰1.3 恒荷载+1.5 雪荷载依1.5伊0.6 风荷载曰1.3 恒荷载依温度荷载曰1.3 恒荷载依1.5 风荷载依0.6 温度荷载曰1.3 恒荷载依1.5伊0.6 风荷载依0.6 温度荷载曰1.3 恒荷载+1.5伊0.7 活荷载依1.4 地震荷载曰29江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 5异型钢框架构件的应力比3数值模拟分析3.1 结构的周期与振型结构计算分析中袁 为满足质量参与系数达到90%的要求袁考虑 12 个振型遥 表 2 列出了结构前 12个振型的自振周期袁图 4 为结构的前 3 阶振型图遥3.2构件应力比通过使用有限元软件 SAP2000袁计算模型通过在各种荷载工况组合下的构件设计承载力验算后袁连廊异型钢框架结构的应力比见图 5遥由 结 构 的 整 体 受 力 分 析 和 有 限 元 软 件SAP2000 中计算模型的结构设计承载力验算可知袁设计的结构构件均能满足最大承载力要求袁最大应力比为 0.806袁所有构件的应力比均小于 1袁满足设计规范要求遥3.3结构挠度竖向荷载作用下袁异型钢框架的变形见图 6 和图 7遥恒载和活载共同作用时袁结构的最大绝对位移为 35.7 mm袁 约为跨度的 1/549袁 小于规定限值1/400曰恒载或活载单独作用时袁结构的最大绝对位移分别为 27.4 mm 和 13.8 mm袁分别为跨度的 1/719和 1/1 337袁远小于规定限值 1/500袁满足要求遥表 2结构各阶振型的自振周期振型周期/s1234567891011120.9780.9370.8600.7090.5350.3110.2860.2820.2810.2640.2530.250图 4前 3 阶振型图图 6恒载作用下的结构变形渊单位院mm冤图 7活载作用下的结构变形渊单位院mm冤30江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 8风荷载作用下结构变形渊单位院mm冤风荷载和地震荷载为结构设计中主要的水平荷载遥 由整体结构的有限元计算分析可知袁在 X 向风荷载作用下袁结构柱顶的位移为 16.09 mm袁约为柱顶高度的 1/745曰 在 Y 向风荷载作用下袁Y 向最大水平位移为 9.06 mm袁约为柱顶高度的 1/1 324遥风荷载作用下的最大水平位移袁都小于规范的容许变形值 1/500遥在地震荷载作用下袁X 向地震荷载下的最大水平位移为 19.88 mm袁 约为结构高度的1/603曰在 Y 向地震荷载作用下袁Y 向最大水平位移为 19.05 mm袁约为结构高度的 1/629遥 地震荷载作用下的最大水平位移袁都小于规范限值 1/250遥 结构的整体变形见图 8 和图 9遥4节点验算连接螺栓采用 10.9 级摩擦型高强螺栓袁 螺栓直径为 M22袁预拉力 P=190 kN袁接触面喷砂处理袁抗滑移系数 滋=0.40袁腹板连接板为单面遥单个高强螺栓承载能力院N=0.8P=0.8伊190=152 kNNbv=0.9knf滋P=0.9伊1.0伊1.0伊0.40伊190=68.4 kNGL3 H500伊300伊12伊16 与圆柱连接遥最不利内力组合院Mmax=178 kN 窑 mVmax=91 kN连接见图 10遥 由图 10 可知袁10 个高强螺栓的抗剪承载力为:68.4伊10=684 kNVmax满足要求遥连接板净截面抗剪承载力验算院渊400-24伊5冤伊24伊180=1 209.6 kN91 kN强度满足要求遥梁翼缘处焊缝承载力验算:12伊300伊310伊500=558 kN 窑 m178 kN 窑 m满足要求遥5结语文章通过对异型钢框架结构进行结构设计与有限元专业软件 SAP2000 数值模拟袁 研究分析了异型钢框架结构在不同工况下其整体受力性能遥渊1冤结构构件的最大应力比为 0.806袁所有构件的应力比均小于 1袁满足叶建筑抗震设计规范曳渊GB50011要2010冤的要求遥图 10转角柱节点图 9地震作用下结构变形渊单位院mm冤31江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤对比分析袁 验证了 FDEM 在砌体拱抗震性能和破坏模态上的准确性遥总体而言袁FDEM 可有效模拟砌体拱在水平加速度和地基倾斜下的破坏遥 由 FDEM 模拟结果可知袁砌体拱在地基倾斜下的 k 大于在水平加速度下的 姿*袁 这与作用在拱上的力是否耦合存在一定关系遥 从破坏模态来看袁两种表征方式在分析拱的一阶抗震性能上是一致的遥参考文献1DeJong M J,De Lorenzis L,Adams S,et al.Rocking stability of masonry arches in seismic re鄄gionsJ.Earthquake Spectra,2008,24(04):847-865.2Cavalagli N,Gusella V,Severini L.Lateral loadscarrying capacity and minimum thickness of circularand pointed masonry archesJ.International Journalof Mechanical Sciences袁2016袁115:645-656.3Dimitri R,Tornabene F.A parametric investiga鄄tion of the seismic capacity for masonry arches andportals of different shapesJ.Engineering Failure Anal鄄ysis袁2015袁52:1-34.4Gaetani A,Louren觭o P B,Monti G,et al.Shakingtable tests and numerical analyses on a scaled dry-joint arch undergoing windowed sine pulsesJ.Bul鄄letin of Earthquake Engineering,2017袁15(11):4939-4961.5宋亮亮.拱桥三维建模及倒塌模拟分析D.杭州院浙江工业大学袁2009.6Dimitri R袁De Lorenzis L,Zavarise G.Numericalstudy on the dynamic behavior of masonry columnsand arches on buttresses with the discrete elementmethodJ.Engineering Structures袁2011袁33渊12冤院 3172-3188.7Chen X,Wang H,Chan A H C,et al.Dynamicfailure of dry-joint masonry arch structures modelledwith the combined finitediscrete element methodJ.Computational Particle Mechanics,2020袁07渊05冤:1017-1028.8Li W,Chen X,Wang H,et al.Evaluating theseismic capacity of dry-joint masonry arch structuresvia the combined finite-discrete element methodJ.applied sciences,2021,11(18):8725.9Munjiza A,Andrews K R F.NBS contact detec鄄tion algorithm for bodies of similar size J.Interna鄄tional Journal for Numerical Methods in Engineer鄄ing,1998,43(01):131-149.10Dimitri R,Tornabene F.A parametric investiga鄄tion of the seismic capacity for masonry arches andportals of different shapesJ.Engineering Failure Anal鄄ysis袁2015袁52:1-34.11Misseri G,DeJong M J,Rovero L.Experimentaland numerical investigation of the collapse of pointedmasonry arches under quasi-static horizontal loadingJ.Engineering Structures,2018,173:180-190.渊2冤在恒载+活载作用下袁最大挠度值为 35.7 mm袁是跨度的 1/549袁小于规定限值 1/400曰在单独的恒荷载作用下袁挠度值为 27.4 mm袁是跨度的 1/719袁远小于规定限值 1/500袁满足要求遥 结构强度和变形均满足规范要求袁说明设计的异型钢框架连廊安全遥渊3冤考虑本项目为异型钢框架连廊结构袁并且存在非直角转角的情况袁本设计在非直角转角处采用圆形截面柱袁 其梁柱连接节点可在工厂预制袁此钢套筒外伸连接件可满足任何角度的连接需求遥此设计可供类似工程借鉴遥参考文献1 周露袁黄襄云袁沈朝勇袁马玉宏.多层框架连廊结构柔性连接设计及计算分析J.华南地震袁2013袁33(01):33-42.2 李小宁袁李慧成.某办公楼连廊结构分析与设计J.中国勘察设计袁2018(09):94-95.3 林雍凯袁李睿袁李进波.高层建筑大跨度钢结构连廊设计分析J.建材发展导向袁2021袁19(16):26-27.4 工程结构通用规范院GB 55001要2021S.北京:中国建筑工业出版社袁2021.5 建筑抗震设计规范院GB 50011要2010S.北京:中国建筑工业出版社袁2010.6 钢结构设计标准院GB 50017要2017S.北京:中国建筑工业出版社袁2017.渊上接第 23 页冤32