大型桁架式廣告牌結(jié)構(gòu)安全性校核分析

萬(wàn)曉鐘，徐匯賓，王 巖，周宜哲

(1.北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100075；2.中糧(北京)農(nóng)業(yè)生態(tài)谷發(fā)展有限公司，北京 100000)

0 前 言

我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展，廣告行業(yè)隨之迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)巨幅廣告牌日漸增多。該類結(jié)構(gòu)主要承受風(fēng)荷載作用，長(zhǎng)寬方向尺寸巨大，受力面積廣，結(jié)構(gòu)橫斷面方向尺寸小，基礎(chǔ)采取鋼混結(jié)構(gòu)，搭設(shè)與安裝較為方便。然而，該類結(jié)構(gòu)一旦被巨風(fēng)吹倒，危害性極大，近年廣告牌傷人時(shí)間常有發(fā)生[1]。因此，鋼結(jié)構(gòu)廣告牌在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等方面必須引起足夠重視。

本文通過(guò)對(duì)陜西省西安市城區(qū)某桁架式鋼結(jié)構(gòu)廣告牌設(shè)施進(jìn)行調(diào)查分析，利用ANSYS有限元分析軟件有限元分析軟件，建立有限元模型，對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)廣告牌進(jìn)行受風(fēng)載荷作用下的受力仿真分析，從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)多方面詳細(xì)分析其受力特性，從而確定桁架式廣告牌鋼結(jié)構(gòu)是否符合安全性要求，以期為同類鋼結(jié)構(gòu)廣告牌設(shè)計(jì)、施工提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本工程廣告牌骨架為桁架結(jié)構(gòu)，由方形鋼管焊接而成，中間跨截面為80×60×3(mm)，邊跨截面為60×3，前后架體之間腹桿通過(guò)40×40×3(mm方鋼管連接；底部通過(guò)四榀桁架進(jìn)行支撐，支撐立柱上下弦采用90×90×4(mm方鋼管，腹桿采用50×50×3(mm方鋼管。本結(jié)構(gòu)角焊縫均為角焊縫滿焊，焊腳高度hf=4 mm,焊縫等級(jí)為三級(jí)，鋼管端部必須采用4 mm鋼板圍焊封堵。鋼構(gòu)件材質(zhì)選用Q235B；焊條選用E43型。具體如圖1(a)～(c)。

(a) 正視圖

(b)背視圖

(c) 俯視圖

2 ANSYS有限元模型建模的建立

2.1 模型參數(shù)取值

模型主要參數(shù)包括單元屬性及材料參數(shù)。廣告牌桁架結(jié)構(gòu)采用鋼材材料屬性如下：密度為7 800 kg/m3，彈性模量 2.06 × 105N/mm2，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度 235 MPa；各方鋼管采用Beam188單元模擬；半剛性節(jié)點(diǎn)通過(guò)耦合重合節(jié)點(diǎn) x、y、z 三 個(gè)方向自由度，彈簧單元Combin14模擬扭轉(zhuǎn)剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]；鋼管截面及厚度按照實(shí)際工況建立。

2.2 荷載及邊界條件設(shè)計(jì)

1)荷載計(jì)算。廣告牌結(jié)構(gòu)主要荷載包括自重及風(fēng)荷載作用；考慮到廣告牌結(jié)構(gòu)主要由方鋼管組成，方鋼管的截面尺寸建模必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)建模，以此施加結(jié)構(gòu)自重荷載，保證計(jì)算精確性。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[3]相關(guān)規(guī)定，施加在戶外廣告牌上高度z處的單位面積風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk應(yīng)按以下公式計(jì)算：

Wk=βgzμslμzw0

式中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m3;w0為基本風(fēng)壓，陜西省西安市10年一遇的風(fēng)壓為0.25 kN/m2,其中50年一遇的基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，計(jì)算取值0.35 kN/m2；βgz為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，根據(jù)規(guī)范本計(jì)算不考慮風(fēng)振系數(shù)；μsl為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，按照獨(dú)立墻體和圍墻進(jìn)行計(jì)算取1.3；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，經(jīng)查表計(jì)算取值0.65進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

Wk=1.3×0.35×0.65=0.295kN/m2

對(duì)平面進(jìn)行迎風(fēng)面受力荷載計(jì)算，將所受風(fēng)載等效為節(jié)點(diǎn)力，計(jì)算如下：

Fk=3.0(跨度)×9.5(高度)×0.295/7(受力點(diǎn))=1.2kN

同理，兩側(cè)懸挑部位，節(jié)點(diǎn)荷載為：

Fk=2.0×9.5×0.295/7=0.8kN

為使計(jì)算結(jié)果保守，加載風(fēng)荷載時(shí)，使風(fēng)荷載垂直作用于受力面板。

2)邊界條件。鋼結(jié)構(gòu)廣告牌底部四榀桁架立柱為約束點(diǎn)，考慮三向約束，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)約束完全釋放。

2.3 建立ANSYS有限元模型

計(jì)算模型嚴(yán)格按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，并施加計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)風(fēng)荷載及自重，施加邊界條件，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 桁架式廣告牌ANSYS計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)ANSYS有限元軟件得到的有限元計(jì)算結(jié)果，變形結(jié)果如圖3所示,其應(yīng)力結(jié)果如圖4～6所示。

3.1 變形分析

由圖3可知，廣告牌頂部結(jié)構(gòu)最大位移為66 mm，結(jié)構(gòu)搭設(shè)總高度為13 m，可知廣告牌位移角為1/200，總體變形較小，可滿足廣告牌安全及使用要求。

同時(shí)，考慮到廣告牌最大變形部位在頂端，可采取適當(dāng)加固措施，減小廣告牌頂端變形，進(jìn)一步加大結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

3.2 應(yīng)力分析

由圖4～6通過(guò)分析結(jié)果可知，在考慮最不利荷載的情況下，結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力大小為135 MPa?？紤]到廣告牌架體整體采用Q235型號(hào)鋼管，其抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為均為205 MPa，計(jì)算結(jié)果小于材料Q235鋼管，因此該設(shè)計(jì)方案可滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)安全。

圖3 水平方向位移

圖4 第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 第三主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6 Misess屈服應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.3 抗傾覆分析

通過(guò)ANSYS提取計(jì)算結(jié)果可知，廣告牌水平方向總剪力為59 500 N，最大彎矩為1.33×107N·M。

則通過(guò)ANSYS計(jì)算得到最不利工況下的水平剪力為：

由于廣告牌受5根豎向桁架受力，則可知每個(gè)柱腳受到的剪力和彎矩為：

于是可知抗傾覆系數(shù)為：

故抗傾覆計(jì)算滿足要求。

3.4 基礎(chǔ)強(qiáng)度驗(yàn)算分析

基礎(chǔ)底部最不利處位置的應(yīng)力為[4]：

由豎向力產(chǎn)生的應(yīng)力：

由土體產(chǎn)生的應(yīng)力：

則總應(yīng)力大小為：

本桁架式廣告牌基礎(chǔ)采用混凝土基礎(chǔ)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，其故基礎(chǔ)強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)大型桁架式鋼結(jié)構(gòu)受力狀況進(jìn)行分析，對(duì)該結(jié)構(gòu)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)可采用原定設(shè)計(jì)方案進(jìn)行該桁架式廣告牌施工，該種工況下鋼結(jié)構(gòu)最大位移和應(yīng)力值均小于允許值；結(jié)構(gòu)抗傾覆能力及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均可達(dá)到規(guī)范要求；本桁架式廣告牌整體安全性滿足規(guī)范要求。

2)經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，廣告牌最大變形部位位于廣告牌頂端，可采取適當(dāng)加固措施，減小廣告牌頂端變形，進(jìn)一步加大結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

3)可利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行大型桁架式廣告牌的安全性分析，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果和結(jié)論可為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供有益參考。

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