聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架多向風(fēng)荷載作用下力學(xué)性能分析

程 達

(安徽省電力設(shè)計院，安徽 合肥 230601)

大跨度聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架在國內(nèi)電力行業(yè)相關(guān)的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中并不常見。考慮其設(shè)計、施工等各方面因素的在國內(nèi)的局限性，少有應(yīng)用。

1 本構(gòu)關(guān)系

通過文獻[1—8]資料整理及相關(guān)工程總結(jié)，在統(tǒng)一強度理論基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)鋼彈塑性本構(gòu)模型，此模型不僅適用于拉壓強度相同的鋼材，而且適用于拉壓強度不同的結(jié)構(gòu)鋼。

1.1 鋼材應(yīng)力應(yīng)變理論分析

聯(lián)合式格構(gòu)式構(gòu)架的主要材料為角鋼，為了建立合理的三維空間有限元模型，需要定義鋼材合理的本構(gòu)關(guān)系。鋼材的應(yīng)力應(yīng)變經(jīng)歷彈性階段，彈塑性階段，塑性階段，應(yīng)變強化階段，見圖1。

比例極限σp：直線段的最大應(yīng)力值。其實嚴(yán)格來說，比σp略高處還有彈性極限，但兩者極其接近所以將σp看成是彈性極限。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變模型

屈服應(yīng)力fy：應(yīng)變ε在σp之后漸漸加大，應(yīng)力應(yīng)變成曲線關(guān)系一直到屈服點，這是彈塑性階段，此后應(yīng)力保持不變而應(yīng)變持續(xù)發(fā)展，形成水平線段即屈服平臺，這是塑性流動階段。應(yīng)力超過σp之后任一點的變形都包括彈性變形和塑性變形兩部分，其中塑性變形在卸載后不再恢復(fù)，也成為參與變形或永久變形。

1.2 本構(gòu)模型選取

根據(jù)鋼材應(yīng)力應(yīng)變理論，鋼材應(yīng)力在達到屈服應(yīng)力fy之前，鋼材接近理想彈性體，fy之后塑性應(yīng)變范圍很大而應(yīng)力保持不變，所以接近理想塑性體。文獻[9]對塑性設(shè)計的規(guī)定就是以鋼材是理想彈塑性體的假設(shè)為依據(jù)，忽略了應(yīng)變硬化的有利作用。

鋼材有屈服平臺并且屈服平臺末端的應(yīng)變比較大，這就有足夠的塑性變形來保證截面上的應(yīng)力最終都達到fy，因此一般的強度計算中不考慮應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力。在拉桿中截面的應(yīng)力按均勻分布計算即以此為基礎(chǔ)。從而確立本文格構(gòu)式構(gòu)架的鋼材可以定義為理想彈塑性模型進行空間有限元模擬計算分析。

2 聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型定義

2.1 荷載定義

通過文獻[9，10]采用50年一遇基本風(fēng)壓，將平交及45°風(fēng)向作用于模型主體結(jié)構(gòu)上，分別對兩個平交方向和45°作用方向的作用結(jié)果進行比較分析，并根據(jù)設(shè)計以及實際工程應(yīng)用的需要，按照構(gòu)架所受的恒荷載、活荷載(導(dǎo)線拉力、導(dǎo)線覆冰荷載等)、地震反應(yīng)譜建立不同荷載工況。

2.2 風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

本文重點研究了聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型在不同方向風(fēng)荷載作用下對的力學(xué)性能，故不同風(fēng)向下風(fēng)荷載體型系數(shù)μs是風(fēng)荷載計算的重要影響系數(shù)，文獻[11，12]均給出了不同的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs計算方法。

針對本文研究的電力工程中的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型，根據(jù)文獻[12]中給出的90°風(fēng)向和對角風(fēng)向下體型系數(shù)的計算方法，通過定義系數(shù)：

通過計算不同格構(gòu)式梁柱的Φ，從而得出聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架不同桿件的風(fēng)荷載體形系數(shù)μs，并代入文獻[12]中風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算公式：

式中：z為高度處的風(fēng)振系數(shù)；βz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μz為基本風(fēng)壓值；w0通過文獻[11，12]均可查出。

如前所述，通過文獻[12]給出的風(fēng)荷載體形系數(shù)μy的計算方法，可以得出本文研究的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架模型在兩個平交方向和45°作用方向所需要的可靠的多向風(fēng)荷載輸入數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)構(gòu)體系布置

構(gòu)架在各個方向均受不同的導(dǎo)線拉力作用，在滿足工藝條件下，選擇合理的格構(gòu)柱和橫梁的角鋼規(guī)格，圖2、圖3給出了聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架的單根格構(gòu)柱局部透視圖，構(gòu)架平面圖，三維透視圖。

圖2 單根格構(gòu)柱局部透視圖

圖3 聯(lián)合格構(gòu)構(gòu)架平面布置圖

圖4 聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架三維透視圖

3 計算結(jié)果分析

針對計算結(jié)果，挑選聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架中邊跨、中跨10個典型受力構(gòu)件及節(jié)點，在相同的恒荷載及活荷載條件下，分別比較在正交風(fēng)向1(0°風(fēng)向)，正交風(fēng)向2(90°風(fēng)向)，斜交風(fēng)向3(45°風(fēng)向)三種不同風(fēng)荷載工況作用下，各柱腳節(jié)點及構(gòu)架主材的應(yīng)變性能，找出可用于該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計的控制應(yīng)力以及驗算結(jié)構(gòu)主材是否滿足不同風(fēng)向作用。

3.1 柱腳反力曲線

邊跨及中跨柱腳節(jié)點拉力、壓力分布見圖5—圖8。

圖5 邊跨柱腳節(jié)點拉力分布曲線

圖6 邊跨柱腳節(jié)點壓力分布曲線

通過圖5、圖6，可知邊跨五個柱腳節(jié)點反力(拉、壓力)由外而內(nèi)呈現(xiàn)拋物線型分布，邊跨中部節(jié)點拉壓反力最大；三種不同工況作用下，45°風(fēng)作用下的柱腳反力最大，該工況為設(shè)計需考慮的控制工況。

圖8 中跨柱腳節(jié)點壓力分布曲線

通過圖7、圖8，可知中跨中部柱腳節(jié)點或靠近中部拉壓反力最大；三種不同工況作用下，45°風(fēng)作用下的柱腳反力最大，該工況為設(shè)計需考慮的控制工況。由于中跨橫梁及導(dǎo)線布置，使得中跨柱腳反力最大值并未出現(xiàn)在中間格構(gòu)柱柱腳節(jié)點。

3.2 格構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變云圖

圖9 正交風(fēng)向1應(yīng)變云圖

格構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用云圖見圖9—圖11。

圖10 正交風(fēng)向2應(yīng)變云圖

通過圖9—圖11應(yīng)變云圖，不難發(fā)現(xiàn)，在正交風(fēng)向作用下，結(jié)構(gòu)主材的應(yīng)變最大，即正交風(fēng)向作用下的應(yīng)力可以作為驗算構(gòu)架主材是否滿足工程需要的依據(jù)；同時，也應(yīng)考慮斜交風(fēng)向作用下局部節(jié)點及角鋼的驗算。

4 結(jié)語

通過計算結(jié)構(gòu)比較分析，發(fā)現(xiàn)本文提及的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架，在實際工程中用于基礎(chǔ)計算的主導(dǎo)風(fēng)向應(yīng)為45°斜交風(fēng)向：

(1)通過格構(gòu)柱柱腳反力曲線，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向在45°工況下，柱腳拉壓力最大；

(2)通過聯(lián)合格構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變云圖，可知風(fēng)向在0°，90°工況下，聯(lián)合構(gòu)架式構(gòu)架構(gòu)件的應(yīng)變最大。

(3)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架基礎(chǔ)設(shè)計的控制應(yīng)力工況是45°風(fēng)荷載作用，用于格構(gòu)構(gòu)架主材設(shè)計的控制應(yīng)力工況是04°，90°作用。

本文分析比較了三個主導(dǎo)風(fēng)向作用下的聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架的柱腳節(jié)點反力和應(yīng)變，三維空間有限元模型有效的模擬了實際工程中的構(gòu)架，比較得出可用于計算及設(shè)計的控制工況反力和應(yīng)變，彌補了電力工業(yè)領(lǐng)域中聯(lián)合格構(gòu)式構(gòu)架在多風(fēng)向作用下計算分析的欠缺，可以應(yīng)用推廣到類似的工程應(yīng)用中。

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[10]GB50135－2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

[11]GB5009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．

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