基于sap2000的異形鋼管柱實用設(shè)計方法

基于sap2000的異形鋼管柱實用設(shè)計方法

0異形鋼管柱的設(shè)計鋼結(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)計的發(fā)展，對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)計要求柱的截面形狀必須基于建筑物的折疊角進行設(shè)計時，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)計為異形鋼管柱。目前，常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，如YJK、PKPM均可滿足常規(guī)鋼柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于異形鋼管柱的設(shè)計則無從下手，因此有必要對異形鋼管柱的實用設(shè)計方法進行研究，以滿足工程設(shè)計人員的需要，既要保證設(shè)計的安全可靠，又要方便實用。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的異形鋼管柱實用設(shè)計方法。1混合式鋼管截面的設(shè)計使用SAP自帶的截面設(shè)計器定義異形柱截面。具體步驟及相關(guān)注意事項如下(1）在截面設(shè)計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，Ctrl+V到Excel中得到點坐標(biāo)，重復(fù)操作，得到異形截面各點坐標(biāo)。需要注意，由于截面設(shè)計器中的截面必須為單連通，所以對于鋼管截面，需人為開一個小缺口，最后補上即可。(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坐標(biāo)輸入到EXCEL中。(4）返回截面設(shè)計器，補上缺口，形成一個完整異形鋼管截面。截面設(shè)計器可自動計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)點的數(shù)值，經(jīng)復(fù)核，其計算是正確的。因為該工程異形鋼管柱失穩(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)系進行設(shè)計驗算的，因此可以考慮在截面設(shè)計器中將異形截面轉(zhuǎn)個角度，使x軸為弱軸，y軸為強軸。圖2為SAP截面設(shè)計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異形鋼管柱的計算長度一階線彈性分析的關(guān)鍵問題在于異形鋼管柱計算長度的確定。有側(cè)移框架可以按照《高鋼規(guī)》式7.3.2-4進行計算（軟件自動計算），無側(cè)移框架可以按照《高鋼規(guī)》式7.3.2-11進行計算（SAP2000V17版本使用的是老規(guī)范計算公式，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算長度，為便于讀者理解，以本文所建15層模型進行簡單說明。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算長度系數(shù)為3.2。將此計算長度系數(shù)輸入到SAP中，SAP可根據(jù)輸入的計算長度系數(shù)計算構(gòu)件穩(wěn)定。2.3荷載組合的生成和水平力的添加使用SAP2000進行異形鋼管柱結(jié)構(gòu)二階分析時，具體步驟及注意事項如下：(1）點擊―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，并且荷載工況中會自動生成相應(yīng)非線性工況（圖6）。(2）手動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)計值，在SAP中單獨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)計組合中會自動添加非線性工況組合（圖8），進行后續(xù)設(shè)計計算。3組件的承載能力3.1口壓彎穩(wěn)定計算公式對于異形鋼管柱，SAP2000強度計算按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(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)定計算公式。因此，閉口異形鋼管柱的強度及穩(wěn)定計算，必須對規(guī)范計算結(jié)果進行修正或采用數(shù)值仿真的方式進行計算，具體可通過以下兩種方法實現(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，計算單根柱的側(cè)移、應(yīng)力，判斷鋼柱強度、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節(jié)點，定義為具有節(jié)點耦合作用的mass21單元，成為端部形心主節(jié)點，使用cerig命令將端部其余節(jié)點指定為形心處主節(jié)點的從節(jié)點。約束端部所有節(jié)點的水平位移UX、UY為0，約束一端形心處主節(jié)點豎向位移UZ為0，在兩端端部形心處主節(jié)點施加集中力FZ和彎矩MX、MY。從圖9各節(jié)點的水平變形云圖中可以看出，兩端鉸接實現(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命令對比添加初始彎曲前后的結(jié)點坐標(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)計原理》P103圖6.12，偏安全地按大焊縫、大高厚比選用，角點處取拉應(yīng)力f可以通過檢查施加殘余應(yīng)力后節(jié)點應(yīng)力，來判斷殘余應(yīng)力是否施加成功。由圖13中可以看出，鋼管角點處縱向節(jié)點應(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)，進行計算分析，計算結(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度、整體穩(wěn)定滿足要求。為進一步研究，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度起控制作用，如圖18～21所示。4混合式結(jié)構(gòu)分析的計算方法本文結(jié)合工程實例對異形鋼管柱的實用設(shè)計方法進行了探索，提出了基于SAP2000的異形鋼管柱實用設(shè)計方法，主要結(jié)論如下：(1）異形鋼管截面可以通過SAP截面設(shè)計器建模得到，因為截面失穩(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)系進行設(shè)計驗算，因此可以考慮在截面設(shè)計器中將異形截面轉(zhuǎn)個角度，使X軸為弱軸，Y軸為強軸。(2）對于整體結(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算長度的計算具有近似性（鋼柱計算長度的確定采用屈曲分析），因