三種連廊結構形式的計算與對比分析

康朝杰，杜文風 河南大學土木建筑學院鋼與空間結構研究所，河南 開封 475004

隨著我國經濟的快速發展，鋼筋混凝土結構和鋼結構都是建筑領域常用的結構型式，都具有各自的優缺點［1-3］。鋼筋混凝土結構是以混凝土承受壓力、鋼筋承受拉力，能充分合理地利用混凝土和鋼筋這兩種材料的力學特性的結構。對于一般工程結構，經濟指標優于鋼結構，技術經濟效益顯著，具有合理用材，耐久性好，耐火性好，可模性好，整體性好，易于就地取材等優點。但鋼筋混凝土自重偏大，抗裂性差，施工復雜，工序多，新老混凝土不易形成整體。

鋼結構具有高強度，高韌性，抗震性能好，自重輕，施工速度快，易于安裝拆卸，環保效果好，設計靈活、滿足大跨度設計需求等優點。尤其是自重輕、可拆卸、環保等優勢，是傳統的鋼筋混凝土結構所無法企及的。但鋼結構建筑也有一些不足和缺陷:耐火性差，脆性斷裂。

針對上述問題，本文提出了分別采用鋼、鋼筋混凝土和鋼—鋼筋混凝土材料的三種方案，并用有限元分析軟件ANSYS 對其進行了計算分析，在滿足強度、剛度和穩定性要求的前提下，重點對三種方案的最大位移、最大應力進行了比較，并綜合討論了三種方案在受力性能、施工工藝等方面的優缺點。

1 工程概況及方案介紹

該連廊位于河南省某地區兩幢辦公樓之間，全長33m，總寬6.5m，高7.5m，層數為2 層，底層層高4.5m，頂層為3m。主體為4 跨、中間有起坡的長方體結構體系。

鋼結構主梁統一采用Q345 矩形管，截面規格為400 ×600 ×20 ×20mm，次梁采用Q345 矩形管，截面規格為200 ×300 ×10 ×10mm;除了樹狀柱上部的4 根分叉桿件采用截面規格為200 ×10mm 的Q345 無縫圓管外，底層柱均采用截面規格為300 ×10mm 的Q345 無縫圓管，頂層柱均采用截面規格為400 ×600 ×20mm 的Q345 矩形管，單元類型選用壓彎和拉彎構件，所有節點類型均為剛接。

鋼筋混凝土結構采用截面為主梁，次梁采用截面為200 ×300mm的C30 鋼筋混凝土;樹狀柱采用截面規格為300 ×10mm 的Q345 無縫圓管，上部4 根分叉桿件采用截面規格為200 ×10mm 的Q345 無縫圓管，頂層柱均采用400 ×600mm 的C30 鋼筋混凝土，底層柱均采用截面規格為300 ×10mm 的Q345 無縫圓管，單元類型選用壓彎和拉彎構件，所有節點類型均為剛接。

鋼—鋼筋混凝土結構采用截面為主梁，次梁采用截面為200 ×300mm 的C30 鋼筋混凝土;樹狀柱采用截面規格為300 × 10mm 的Q345 無縫圓管，上部桿件采用截面規格為200 ×10mm 的Q345 無縫圓管，其余的柱子統一采用400 ×600mm 的C30 鋼筋混凝土，單元類型選用壓彎和拉彎構件，所有節點類型均為剛接。

底層柱采用固定約束，施加在每層節點上的水平集中荷載為10kN，施加在頂層梁上豎向線荷載為10kN/m，然后對三種方案進行滿應力設計和靜力分析，使其達到設計要求后，運用ANSYS 有限元分析軟件對其進行內力計算。

2 對比分析

從三種方案的結構位移計算結果中，我們可以得知鋼結構的最大位移為0.085744m，依次是鋼—鋼筋混凝土為0.083506m，鋼筋混凝土的位移最小，為0.026251m，與鋼—鋼筋混凝土和鋼筋混凝土結構相比，鋼結構的最大位移分別比它們大2.68%和226.63%。三種結構方案的最大位移規律有，從豎直方向來看都是從底部向頂層逐漸增大，從水平方向看都是從左側突出的部分向右側逐漸增大。鋼結構和鋼—鋼筋混凝土結構的最大位移都發生在右側柱頂端，而鋼筋混凝土結構的最大位移卻發生在樹狀分叉節點處。

從三種方案的結構應力計算結果中，我們可以得知鋼結構的最大應力為339.358MPa，而鋼—鋼筋混凝土的最大應力為330.535MPa，鋼筋混凝土的應力最小，為143.517MPa，與鋼—鋼筋混凝土和鋼筋混凝土結構相比，鋼結構的最大應力分別比它們高2.67%和136.46%。三種方案的最大應力發生的位置比較相似，都發生在樹狀分叉節點處。

三種結構方案中，無論是從控制結構位移變形角度，還是從控制結構應力方面來分析，鋼筋混凝土結構都要比其它兩種結構好，但鋼結構具有施工方便，外形美觀等優點，單從建筑效果方面來看的話，鋼結構要比鋼筋混凝土和鋼—鋼筋混凝土結構理想。而鋼—鋼筋混凝土結構屬于中間類型，最大位移和最大應力都與鋼結構比較接近。

3 結語

(1)從建筑效果方面來看，鋼筋混凝土形式單一，而鋼—鋼筋混凝土結構，處于中間類型，既沒有鋼結構般靈活，又沒有鋼筋混凝土優良的力學性能，故不建議采用。(2)鋼筋混凝土結構具有較小的位移和應力，選為最優方案。

［1］孟偉.淺談鋼結構特點及其應用［J］.科技前沿，2012(5):7.

［2］王贈羽.鋼結構的特點和應用及發展［J］.山西建筑，2009，35(34):66-67.

［3］曹錫鋒，單春明，楊春生.淺析鋼筋混凝土結構與鋼結構在建筑中的應用［J］.山西建筑，2006(32):85.

［4］GB50009-2012.建筑結構荷載規范［S］.