某不規(guī)則鋼框架構(gòu)設(shè)計(jì)與對(duì)比分析

 1 某工程概況
該工程是位于某座城市的邊緣地帶，在地帶中心還有一個(gè)湖泊，目前已經(jīng)成為了該城市中一個(gè)遠(yuǎn)近聞名的旅游勝地。而本次工程主要就是對(duì)該湖泊周圍進(jìn)行維修改造。工作人員對(duì)該工程設(shè)計(jì)的主要思路是，沿著湖泊修建一條多功能坡形滑道，滑道的總體長(zhǎng)度大約在40米左右。在工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了避免周圍的空間太過(guò)于空曠，設(shè)計(jì)人員在坡道下方設(shè)計(jì)了娛樂(lè)場(chǎng)管理的辦公室和售票機(jī)構(gòu)，這樣不僅有利于對(duì)工程的管理，而且還能給游客帶來(lái)更方便的服務(wù)。由于該工程的設(shè)計(jì)并不是規(guī)則的鋼框架結(jié)構(gòu)，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，就涉及到了一些有關(guān)不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)和理念，為了能夠?qū)⒐こ谈玫耐瓿?，本文?duì)該工程不規(guī)則鋼框架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)系統(tǒng)的分析。
2 建筑布置
按照相關(guān)部門對(duì)建筑設(shè)計(jì)的要求，需要將滑道的另一端延伸到湖面中一定的距離，這樣做是為了方便滑道上下水的循環(huán)，因此，為了在保證工程質(zhì)量的基礎(chǔ)上，充分實(shí)現(xiàn)水循環(huán)，延伸到湖面那段距離必須要選擇方便施工人員進(jìn)行施工的結(jié)構(gòu)體系。在具體設(shè)計(jì)之前，工作人員對(duì)相關(guān)的工程土質(zhì)進(jìn)行了勘察，勘察結(jié)果為土質(zhì)較為松軟，具有較大的沉降性，考慮到以上幾個(gè)特點(diǎn)，在對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員采用了結(jié)構(gòu)較輕的體系，滑道的支撐體系采用的是輕鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的立體圖如圖1所示。
從圖1中我們能夠看出，該鋼框架機(jī)構(gòu)采用的是對(duì)稱布置，每組框架之間用橫梁相連，根據(jù)滑道設(shè)置的寬度，每組框架梁的計(jì)算長(zhǎng)度約為9m。立體圖中所標(biāo)有的數(shù)字，指的是每組框架之間所需要的框架柱軸，1-5組框架之間設(shè)置了中柱，為二跨多層框架，這樣做主要是考慮辦公樓建設(shè)過(guò)程中所涉及到的自重和荷載問(wèn)題。而6-10之間的每組框架中則為設(shè)置任何鋼柱，為不等高單跨結(jié)構(gòu)。通過(guò)以上分析，我們能夠看出，該工程從左到右的設(shè)計(jì)，無(wú)論是在高度上還是跨度上都有變化，屬于典型的不規(guī)則框架。該框架的總高度為11m，縱向柱間距取為3.4m，底層層高為3.7m，其他層層高為3.3m。該建筑物的抗震設(shè)計(jì)基本信息如表1所示。
本文系統(tǒng)介紹了該不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)過(guò)程，其中主要包括材料、截面的選取，采用大型有限元仿真軟件ANSYS對(duì)具有代表性的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進(jìn)行計(jì)算，并與相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行了對(duì)比，以此來(lái)為今后同類工程的科學(xué)建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。
3 結(jié)構(gòu)計(jì)算
3.1 材料和截面的選取 材料和截面的科學(xué)選取對(duì)工程的質(zhì)量非常重要，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)工程質(zhì)量的具體要求以及工程的實(shí)際情況，工作人員選用了焊接性能較好的Q345-B級(jí)鋼材作為工程的主要材料，對(duì)于混凝土的選擇則是立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30MPa的常規(guī)混凝土?？蚣芰汉涂蚣苤捎脽彳垷o(wú)縫圓鋼管，以上是該工程工作人員對(duì)于工程材料的選擇。
對(duì)于工程截面的選取，6軸到10軸之間的幾組框架柱截面尺寸、框架梁和坡道斜梁的截面尺寸以及次梁的截面尺寸分別為直徑200×6mm、180×5mm和120×4mm。除此之外，為了確保工程的質(zhì)量，工程的設(shè)計(jì)人員和監(jiān)理人員一定要對(duì)以下幾個(gè)環(huán)節(jié)給予高度的重視。由于很多物質(zhì)都會(huì)對(duì)鋼管造成腐蝕，因此，在實(shí)際施工的時(shí)候，由于工程的特殊性，會(huì)有部分工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期位于湖水中，因此，還要充分考慮鋼管循環(huán)經(jīng)歷凍融作用，這就要求工程中所選用的鋼材一定要滿足沖擊韌性的力學(xué)性能，同時(shí)表面也必須采取特殊的處理。
3.2 荷載統(tǒng)計(jì)與計(jì)算簡(jiǎn)圖 工程設(shè)計(jì)中所需要的荷載統(tǒng)計(jì)，除了工程本身的自重荷載之外，還有夏季滑道上的雨荷載和冬季滑道上的雪荷載。經(jīng)過(guò)專業(yè)人員的計(jì)算，得出該工程所承受的荷載最大為1kN/m2，而按照建筑荷載設(shè)計(jì)規(guī)范，將活荷載取為2.5kN/m2。從圖1中我們能夠看出，該工程荷載最大的位置就是2軸和7軸。因此，設(shè)計(jì)人員要重視對(duì)這兩個(gè)軸柱的內(nèi)力分析，只要這兩個(gè)軸柱的設(shè)計(jì)符合要求，其他軸的框架定可滿足要求。
3.3 數(shù)值仿真分析 在有限軟件ANSYS中，能夠模擬框架的單元類型有很多，每一種模擬框架的單元類型都有其各自的應(yīng)用范圍，根據(jù)本工程的建設(shè)特點(diǎn)來(lái)看，應(yīng)該采用二維BEAMB3單元來(lái)對(duì)工程中的梁和柱進(jìn)行模擬，利用ANSYS進(jìn)行數(shù)值仿真分析的時(shí)候，首先要根據(jù)工程的審計(jì)內(nèi)容選擇關(guān)鍵點(diǎn)，然后將其連線形成幾何模型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分的建模方式，施加均布荷載，最后求解。KJ1和KJ2有限元模型如圖2所示，而二者的最大內(nèi)力值則如表2和表3所示。從表中所體現(xiàn)出的數(shù)值我們能夠看出，在整個(gè)不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，承受內(nèi)力最大的就是KJ1梁和KJ2柱，通過(guò)設(shè)計(jì)人員的明確計(jì)算，得出KJ1梁支座的強(qiáng)度承載力為110.7N/mm2，KJ2柱的軸壓承載力為95.45N/mm2。二者都達(dá)到Q345級(jí)鋼材的強(qiáng)度，對(duì)相關(guān)構(gòu)件的結(jié)果驗(yàn)算，也都滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。
4 構(gòu)造措施
根據(jù)工程相關(guān)要求的內(nèi)容來(lái)看，明確規(guī)定了某些鋼管的強(qiáng)度以及屈服比應(yīng)該控制在什么范圍之內(nèi)，比如說(shuō)熱軋無(wú)縫鋼管，不應(yīng)采用屈服強(qiáng)度f(wàn)y超過(guò)345MPa以及屈強(qiáng)比f(wàn)y/fu>0.8的鋼材，此外，為了確保工程抗震質(zhì)量能夠達(dá)到相關(guān)要求，設(shè)計(jì)人員也采取了相應(yīng)的措施，具體情況見(jiàn)圖3。
5 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，隨著我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展腳步的不斷加快，不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程中的應(yīng)用也必然會(huì)越來(lái)越廣泛。結(jié)合該工程不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況分析我們能夠看出，根據(jù)工程的實(shí)際情況合理采用有限元軟件ANSYS，能夠在很大程度上滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)工程的根本需求。