基于sap2000的異形鋼管柱實(shí)用設(shè)計(jì)方法

基于sap2000的異形鋼管柱實(shí)用設(shè)計(jì)方法

0異形鋼管柱的設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)柱的通常形狀包括h鋼、箱形、圓形截面等。然而，隨著建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展，對(duì)異形鋼管柱的截面形狀的需求越來越大。例如，當(dāng)建筑設(shè)計(jì)要求柱的截面形狀必須基于建筑物的折疊角進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，異形鋼管柱已成為更好的選擇。如圖1所示為蘇州安邦超高層主塔樓71層建筑平面圖，核心筒角部需要根據(jù)建筑需求布置結(jié)構(gòu)鋼柱，為此需要將鋼柱截面形式設(shè)計(jì)為異形鋼管柱。目前，常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，如YJK、PKPM均可滿足常規(guī)鋼柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于異形鋼管柱的設(shè)計(jì)則無從下手，因此有必要對(duì)異形鋼管柱的實(shí)用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，以滿足工程設(shè)計(jì)人員的需要，既要保證設(shè)計(jì)的安全可靠，又要方便實(shí)用。筆者通過查閱相關(guān)論文資料、規(guī)范規(guī)定、各款軟件，提出了一種基于SAP2000的異形鋼管柱實(shí)用設(shè)計(jì)方法。1混合式鋼管截面的設(shè)計(jì)使用SAP自帶的截面設(shè)計(jì)器定義異形柱截面。具體步驟及相關(guān)注意事項(xiàng)如下(1）在截面設(shè)計(jì)器中任意定義一異形截面。(2）在CAD中畫出異形截面，將異形截面打斷為線段，將線段圖層用英文命名（圖層名稱不能為0圖層或漢字），另存為dxf，通過SAP導(dǎo)入dxf，將dxf中的線段轉(zhuǎn)化為SAP中的框架構(gòu)件，然后選擇SAP中的結(jié)點(diǎn)，Ctrl+V到Excel中得到點(diǎn)坐標(biāo)，重復(fù)操作，得到異形截面各點(diǎn)坐標(biāo)。需要注意，由于截面設(shè)計(jì)器中的截面必須為單連通，所以對(duì)于鋼管截面，需人為開一個(gè)小缺口，最后補(bǔ)上即可。(3）使用―SAP-編輯-交互式數(shù)據(jù)庫編輯‖，通過導(dǎo)入導(dǎo)出EXCEL表格，將第（2）步獲得的異形截面各點(diǎn)坐標(biāo)輸入到EXCEL中。(4）返回截面設(shè)計(jì)器，補(bǔ)上缺口，形成一個(gè)完整異形鋼管截面。截面設(shè)計(jì)器可自動(dòng)計(jì)算出異形截面的形心以及截面幾何屬性，截面模量取距離形心較遠(yuǎn)點(diǎn)的數(shù)值，經(jīng)復(fù)核，其計(jì)算是正確的。因?yàn)樵摴こ坍愋武摴苤Х€(wěn)是繞著弱軸呈現(xiàn)彎曲/彎扭失穩(wěn)，而SAP是按截面局部坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算的，因此可以考慮在截面設(shè)計(jì)器中將異形截面轉(zhuǎn)個(gè)角度，使x軸為弱軸，y軸為強(qiáng)軸。圖2為SAP截面設(shè)計(jì)器所建的異形鋼管柱截面。為便于說明，將圖1中71層平面作為標(biāo)準(zhǔn)層建模，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.35m，組裝15層，樓層平均重量約為1.3t/m2結(jié)構(gòu)分析2.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析依據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99—2015)2.2異形鋼管柱的計(jì)算長度一階線彈性分析的關(guān)鍵問題在于異形鋼管柱計(jì)算長度的確定。有側(cè)移框架可以按照《高鋼規(guī)》式7.3.2-4進(jìn)行計(jì)算（軟件自動(dòng)計(jì)算），無側(cè)移框架可以按照《高鋼規(guī)》式7.3.2-11進(jìn)行計(jì)算（SAP2000V17版本使用的是老規(guī)范計(jì)算公式，SAP2000V19可能使用了新規(guī)范）?；蛘卟捎镁€性屈曲分析的方法確定異形鋼管柱的計(jì)算長度，為便于讀者理解，以本文所建15層模型進(jìn)行簡單說明。如圖4所示，恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，異形鋼管柱的屈曲發(fā)生在第9階，而第9階為結(jié)構(gòu)整體Y向屈曲，異形鋼管柱的局部屈曲發(fā)生在整體屈曲之后。以底層某異形鋼管柱為例，其恒+活下軸力值為7905kN，屈曲臨界系數(shù)為36，可以反算出底層該柱的計(jì)算長度系數(shù)為3.2。將此計(jì)算長度系數(shù)輸入到SAP中，SAP可根據(jù)輸入的計(jì)算長度系數(shù)計(jì)算構(gòu)件穩(wěn)定。2.3荷載組合的生成和水平力的添加使用SAP2000進(jìn)行異形鋼管柱結(jié)構(gòu)二階分析時(shí)，具體步驟及注意事項(xiàng)如下：(1）點(diǎn)擊―定義荷載組合-轉(zhuǎn)換組合為非線性工況‖（圖5），則可將軟件自動(dòng)生成的所有荷載組合轉(zhuǎn)化為非線性工況的荷載組合，并且荷載工況中會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)非線性工況（圖6）。(2）手動(dòng)將所有非線性工況的―P-Δ和大位移‖開關(guān)打開（圖7）。(3）在每層樓蓋處加上假想水平力，假想水平力的取值按《高鋼規(guī)》式7.3.2-2，該值為設(shè)計(jì)值，在SAP中單獨(dú)建一假想水平力的荷載模式和荷載工況，在所有非線性組合中添加此假想水平力工況。(4）設(shè)計(jì)組合中會(huì)自動(dòng)添加非線性工況組合（圖8），進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)計(jì)算。3組件的承載能力3.1口壓彎穩(wěn)定計(jì)算公式對(duì)于異形鋼管柱，SAP2000強(qiáng)度計(jì)算按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017)但是，規(guī)范中的穩(wěn)定公式、穩(wěn)定系數(shù)適用于普通H型、圓形、箱型等截面，規(guī)范中并未有閉口異形鋼管柱的壓彎穩(wěn)定計(jì)算公式。因此，閉口異形鋼管柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算，必須對(duì)規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正或采用數(shù)值仿真的方式進(jìn)行計(jì)算，具體可通過以下兩種方法實(shí)現(xiàn)：(1）參考浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文《L形閉口截面壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性研究》(2）可以采用ANSYS數(shù)值仿真的方法，在ANSYS建單根鋼柱模型，將SAP二階分析的內(nèi)力輸入到ANSYS中，考慮初始彎曲、殘余應(yīng)力、幾何非線性、材料非線性，計(jì)算單根柱的側(cè)移、應(yīng)力，判斷鋼柱強(qiáng)度、穩(wěn)定性是否滿足要求。3.2阿斯斯值的模擬3.2.1端部形心主節(jié)點(diǎn)添加采用SHELL181單元，取一層層高，兩端鉸接，為模擬端部鉸接，在端部形心處建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義為具有節(jié)點(diǎn)耦合作用的mass21單元，成為端部形心主節(jié)點(diǎn)，使用cerig命令將端部其余節(jié)點(diǎn)指定為形心處主節(jié)點(diǎn)的從節(jié)點(diǎn)。約束端部所有節(jié)點(diǎn)的水平位移UX、UY為0，約束一端形心處主節(jié)點(diǎn)豎向位移UZ為0，在兩端端部形心處主節(jié)點(diǎn)施加集中力FZ和彎矩MX、MY。從圖9各節(jié)點(diǎn)的水平變形云圖中可以看出，兩端鉸接實(shí)現(xiàn)了。3.2.2管內(nèi)加勁肋間距如果不采取構(gòu)造措施，則異形鋼管柱壁板會(huì)先發(fā)生局部失穩(wěn)，因此必須采取構(gòu)造措施，保證局部失穩(wěn)發(fā)生在整體失穩(wěn)之后。如果異形鋼管內(nèi)加勁肋的間距足夠密、面內(nèi)剛度足夠剛，可以作為剛性隔板，則不發(fā)生局部穩(wěn)定，第一階屈曲模態(tài)為繞鋼管截面厚度方向的彎曲失穩(wěn)，如圖10所示。從圖11中可以看出，第1階、第2階、第4階屈曲模態(tài)均為繞鋼管截面厚度方向的彎曲屈曲，第3階屈曲模態(tài)為繞構(gòu)件縱軸的扭轉(zhuǎn)屈曲。3.2.3初始彎曲情況檢查根據(jù)規(guī)范要求，計(jì)算鋼柱的整體穩(wěn)定，需施加1/1000初始彎曲和殘余應(yīng)力。在ANSYS中，初始彎曲的形狀采用第一階屈曲模態(tài)，構(gòu)件最大彎曲值取桿長的1/1000?？梢酝ㄟ^nlist命令對(duì)比添加初始彎曲前后的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來檢查是否正成功添加了初始彎曲。經(jīng)檢查，初始彎曲已成功按照第一階屈曲模態(tài)施加。箱型截面殘余應(yīng)力參照陳紹蕃《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》P103圖6.12，偏安全地按大焊縫、大高厚比選用，角點(diǎn)處取拉應(yīng)力f可以通過檢查施加殘余應(yīng)力后節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，來判斷殘余應(yīng)力是否施加成功。由圖13中可以看出，鋼管角點(diǎn)處縱向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力受拉屈服，腹板中部受壓，因此可以判斷殘余應(yīng)力已成功施加。3.2.4材料非線性開關(guān)的應(yīng)用在施加了初始缺陷和殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上，施加軸力40000kN、雙向彎矩5000kN·m（構(gòu)件包絡(luò)內(nèi)力），打開幾何非線性、材料非線性開關(guān)，進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果顯示鋼柱側(cè)向位移很小，未發(fā)生整體失穩(wěn)，且鋼柱仍處于彈性階段，如圖14～17所示，因此，在該荷載作用下鋼柱的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定滿足要求。為進(jìn)一步研究，繼續(xù)加大荷載，施加軸力40000kN、雙向彎矩10000kN·m，側(cè)向位移有所加大，柱子仍未出現(xiàn)整體失穩(wěn)，但已有部分區(qū)域屈服，說明該荷載作用下仍然由強(qiáng)度起控制作用，如圖18～21所示。4混合式結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算方法本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)異形鋼管柱的實(shí)用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索，提出了基于SAP2000的異形鋼管柱實(shí)用設(shè)計(jì)方法，主要結(jié)論如下：(1）異形鋼管截面可以通過SAP截面設(shè)計(jì)器建模得到，因?yàn)榻孛媸Х€(wěn)是繞著弱軸呈現(xiàn)彎曲/彎扭失穩(wěn)，而SAP按截面局部坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，因此可以考慮在截面設(shè)計(jì)器中將異形截面轉(zhuǎn)個(gè)角度，使X軸為弱軸，Y軸為強(qiáng)軸。(2）對(duì)于整體結(jié)構(gòu)分析，提出了一階線彈性分析方法與二階分析方法，其中由于一階分析未考慮幾何非線性且鋼柱計(jì)算長度的計(jì)算具有近似性（鋼柱計(jì)算長度的確定采用屈曲分析），因