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1、某钢板格构式梁柱结构承载力分析摘要：某玻璃幕墙支承钢结构采用钢板格构式梁柱体系，该类结构存在 显著的平面外稳定承载力弱的特点，且在国内少有应用。讨论现行GB 50017-2003钢结构设计规范中相关公式对于本工程格构式构件的适 用性。对结构进行数值模拟，得到结构的动力特性、屈曲极限荷载等， 为该类结构的研究及设计提供参考。关键词：钢板格构式；模态分析；屈曲分析1工程概况某项目采光顶幕墙采用钢板格构式梁柱体系作为其支承结构，该结 构支承于混凝土主体结构上。该钢结构平面投影尺寸为长20 m、宽 12.45 m，高8.47 m，顶面距室外地面18.17 m。该结构由13棉主受力 刚架、2棉边相刚架及
2、一系列次梁、连系梁构成。结构三维模型如图1所示，单棉主受力刚架如图2所示，各构件截 面尺寸如表1所示。图1幕墙支承钢结构三维模型本文的钢板格构式柱如图3所示。钢板格构式柱均为压弯构件，这 种构件只有横缀条，没有斜缀条，应该按照缀板柱来计算稳定。根据GB 50017-2003钢结构设计规范第8.4. 1条，缀板柱中同一截面处缀板 的线刚度之和不得小于柱较大分肢线刚度的6倍1。取缀板间距为1.2 m处的截面进行验算。】2 45。1 900 御甲5（呷5（）0I 5叫I祝）55011-钢柱；2-主梁图2主受力刚架示意表1构件截面尺寸mm构件截面类别尺寸主梁钢板格构式360X45（宽度X厚度）钢柱钢板
3、格构式360X45（宽度X厚度）钢次梁钢板格构式360X30（宽度X厚度）连系梁圆钢管65. 5X5.5箱形梁箱形800X 600X22X22箱形柱箱形400X 600X 16X16构件截面类别尺寸主梁钢板格构式360X45(宽度X厚度)钢柱钢板格构式360X45(宽度X厚度)钢次梁钢板格构式360X30(宽度X厚度)连系 梁圆钢管?65.5X5.5箱形梁箱形800X600X22X22箱形柱箱形400X 600X16X16您会要饮图3钢板格构式构件示意缀板的线刚度(c=270 mm):El(1)柱较大分肢线刚度：._ E1I 1 200(2)ibi1，显然，本文的格构式柱不满足GB 50017
4、-2003中关于缀板 式格构柱的构造要求。GB 50017-2003中关于缀板柱换算长细比的计算公式5.1.3-1为针对 传统的两侧有缀板的格构柱推算得来，而本文的钢板格构式构件截面仅 有1块缀板。GB 50017-2003第5.2.3条规定，格构式压弯构件弯矩作用平面外的 整体稳定性可不计算，但应计算分肢的稳定性1。GB 50017-2003涵盖 的构件截面类型有L形、工字形、箱形、管形等，没有此类板式构件稳 定性计算的相关内容。本文的钢梁开长度近1m的孔，开孔长度远超常规开孔长度最大为 1.5倍梁高的做法，开长孔会对构件产生较大的削弱，构件、整体结构的 强度和刚度会大幅下降，对此类构件的计
5、算方法，GB 50017-2003也没有 相关内容。综上所述，本工程所用梁柱体系，均不适用于GB 50017-2003的分 析公式。本文采用数值分析方法，对该结构的主受力刚架进行自振特性分 析、静力求解、特征值屈曲分析、非线性屈曲分析，得到主受力刚架的 振动模态、屈曲模态、极限承载力，为该类结构的研究和设计提供参 考。2有限元模型2.1有限元几何模型的建立本文采用有限元分析软件ANSYS 12.0对主受力刚架进行数值模拟。 各构件钢材材质均为Q235B，强度设计值为200 MPa，假定材料为理想弹塑性双线性随动强化模型，采用von Mises屈服准则和随动强化准则，弹性模量E=206 GPa，
6、泊松比u=0.3o采用壳单元Shell 181模拟主受力刚架。约束柱脚的X、Y、Z向位 移；约束连系梁位置处柱肢的侧向位移即Z向位移。采用APDL参数化语 言编写命令流文件，主受力刚架定义截面并划分单元网格后的ANSYS模 型如图4所示。图4主受力刚架有限元模型2.2荷载取值1）恒载。本工程结构为玻璃幕墙支承结构，承受的恒载包括构件自 重和玻璃幕墙的重量。结构自重通过定义重力加速度施加。玻璃幕墙的 重量：立面，0.5 kN/m2 ；屋面，0.7 kN/m2。2）活荷载。不上人屋面活荷载为0.5 kN/m2o3）风荷载。基本风压0.3 kN/m2。由于本工程结构为玻璃幕墙支承结 构，故按照围护结
7、构计算结构承受的风荷载标准值。据GB 50009-2012 建筑结构荷载规范2中公式8.1.1-2,迎风面风荷载标准值wk=8 gzuslu zw0=1.641X1.0X1.19X0.30=0.59 kN/m2,背风面风荷载标准 值 wk=6gzuslu zw0=1.641 X (-0.6) X1.19X 0.30=-0.35 kN/m2，顶面 风荷载标准值 wk= Pgzuslu zw0=1.641 X (-2.0) X1.19X0.30=-1.2 kN/m2；其中，8gz为高度z处的阵风系数；usl为局部风压体型系 数；uz为风压高度变化系数；w0为基本风压。3动力分析通过对结构进行自振特
8、性分析及后处理，得到前3阶固有频率，如 表2所示。前3阶振型如图5-图7所示,结构第1振型为平面内振动。表2结构固有频率Hz振型阶数固有频率4,846 921. 349振型阶数固有频率14.8469214.114321.349图5第1阶结构振型自振特性分析用于确定结构振动特性，即结构的固有频率和振型， 它们是承受动力荷载作用下结构设计的重要参数3。4静力求解对结构进行静力求解，在后处理模块中对各工况结果进行组合。1）组合1： 1.2恒载+1.4活载；2）组合2： 1.2恒载+1.4活载+1.4X0.6风载；3）组合3： 1.2恒载+1.4X0.7活载+1.4风载；4）组合4： 1.35恒载+1
9、.4X0.7活载；5）组合 5： 1.35 恒载+1.4X0.7 活载+1.4X0.6 风载。各荷载组合作用下结构的应力和位移结果如表3所示。表中应力为von Mises应力，位移为空间位移。表3静力求解的应力及位移结果组合序号最大应力/MPh最大位移/mm组合125. 72. 977组.245. 73, 772组合356. 47. 027组合425. 22 921组合545. 23. 79。组合序号最大应力/MPa最大位移/mm组合125.72.977组合245.73.772 组合 356.47.027 组合 425.22.921 组合 545.23.790由表3结果可见，在各个荷载组合作用
10、下，主受力刚架的应力、位 移均能满足要求。5特征值屈曲分析本文求解在自重、风荷载作用下“恒载+活载”的屈曲荷载，即自 重、风荷载为一定值，仅仅求解结构屈曲时“恒载+活载”的取值4。 本文采用的实现方法为：保持自重、风荷载不变，同比例不断调整所施 加的恒载、活载，通过迭代求解使得屈曲荷载系数等于1.0，此时的荷载“自重+风载+增大后的恒载、活载”即为结构屈曲时的荷载，即：屈曲 荷载=1.0X自重+风载+K特X（恒载+活载）。其中，K特为“恒载+活 载”的屈曲系数，增大后的“恒载+活载”与“恒载+活载标准值”之 比。如果要考虑2阶屈曲荷载，同样采用迭代求解使得2阶屈曲荷载系 数为1.0（此时1阶屈
11、曲荷载系数不等于1.0），以此类推，求得前3阶屈 曲系数K特如表4所示。表4前3阶屈曲模态对应的屈曲系数阶数“恒载+活载”的屈曲系数K特1101.6672126.8243144.6986非线性屈曲分析采用主受力刚架的第1阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态。第1阶本文求解在自重、风荷载作用下“恒载+活载”的屈曲荷载，即自重、风荷载为一定值，仅仅求解结构屈曲时“恒载+活载”的取值。本文 采用的方法为：多荷载步非线性分析。第一个荷载步的荷载为各个工况 荷载的标准值；第二个荷载步为在第一个荷载步的基础上，逐渐增加 “恒载+活载”的值，直到求解得到使结构开始变得不稳定时的临界荷 载，即：临界荷载二1.0X自
12、重+风载+KX(恒载+活载)，其中，K为安全 系数。非线性屈曲分析过程中，各个荷载子步时，“恒载+活载”与“恒载 +活载标准值”之比称为“恒载+活载标准值”的荷载系数，以下简称荷 载系数。荷载系数的大小，直接反映结构上所作用荷载的大小。以梁跨 中位移最大点Y向位移的绝对值为横坐标，以荷载系数为纵坐标，得到 荷载系数-位移曲线如图9所示。20-15-/10=/S- /0- i05()10015020t位移/mm图9荷载系数-位移曲线由图9可知，第一个荷载步，即荷载系数为1时，梁跨中节点的位 移很小，几乎为零；荷载系数不断增大到15的过程中，梁跨中节点的位 移呈线性增长；随后梁跨中节点的位移随荷载
13、系数的增大呈非线性增 长；当荷载系数增大到一定程度时，荷载系数增大一个很小的数值，均 能引起位移的大幅度增长，即切线刚度矩阵接近0,这时可以认为达到了 刚架的第一个荷载极限点（即结构开始变得不稳定前的荷载最大值），此 时荷载系数为18。参考JGJ 7-2010空间网格结构技术规程5的结构屈曲判定准 则，可认为此体系满足稳定承载力要求。特征值屈曲分析第1阶屈曲模态下，“恒载+活载”的屈曲系数为 101.667 ；非线性屈曲分析的情况下，刚架失稳时“恒载+活载”的荷载 系数为18,减小了82.3%。所以对该类钢板格构式梁柱体系的非线性屈 曲分析非常必要。7结论1）通过对主受力刚架的模态分析，得到主
14、受力刚架的固有频率、自 振周期和振型，为计算风荷载和地震作用提供依据。2）通过对主受力刚架的特征值屈曲分析，得到前3阶屈曲模态下的 临界荷载。在特征值屈曲分析的基础上，对主受力刚架进行了非线性屈 曲分析，得到了有初始缺陷的屈曲极限荷载。3）对该类格构式梁柱体系，进行非线性屈曲分析十分必要。参考文献：1 GB 50017-2003钢结构设计规范S.2 GB 50009-2012建筑结构荷载规范S.3 李法善，张岚，蒋丽华，等.三级分枝钢管树状结构有限元动力 特性分析J.钢结构，2012，27（5）： 26-28.4王新敏.ANSYS 工程结构数值分析M.北京：人民交通出版社，2007.5 JGJ 7-2010空间网格结构技术规程S.
