型鋼混凝土梁設計軟件在鐵路站房中的應用研究

沈　磊

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢　430063)

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型鋼混凝土梁設計軟件在鐵路站房中的應用研究

沈磊

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063)

摘要：根據現行《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ138—2001)并結合新頒布的相關結構設計規范，利用C#語言編制了型鋼混凝土梁設計軟件。相關工程實例應用表明，該軟件可以根據通用有限元計算軟件Midas Gen的計算結果，按照相關規范要求，對型鋼混凝土梁構件進行批量設計，其被廣泛應用在大跨度鐵路站房設計中，提高了站房工程的設計效率。

關鍵詞：型鋼混凝土梁;大跨度;鐵路站房;通用有限元;MIDAS Gen;批量設計

1概述

隨著高速鐵路迅猛發展，鐵路站房結構形式日趨復雜多變，其中不乏大跨度站房的出現，對結構設計要求越來越高[1，2]。型鋼混凝土梁是將型鋼埋入鋼筋混凝土梁中的一種組合梁，由型鋼、主筋、箍筋及混凝土組合而成。型鋼混凝土梁具有承載力高、抗震性能好等優點，被廣泛應用在大跨度結構中[3，4]。

目前國內傳統結構設計軟件(如PKPM)，對于型鋼混凝土梁設計時，只能處理具有典型層的結構形式。而其他通用有限元計算軟件如Midas Gen等，雖可以解決復雜造型結構的計算分析問題，但在構件設計方面功能不足，不支持型鋼混凝土梁的設計。

鑒于目前的國內外研究現狀，結合我國現行的鋼骨混凝土設計規范[5，6]，根據Midas Gen有限元計算軟件的內力計算結果，編制了型鋼混凝土梁設計校核軟件(Src Beam Design Tools)。軟件可以對各類工程中的型鋼混凝土梁構件設計校核，具有界面友好、交互輸入、批量讀取、批量計算、批量輸出、操作簡便等功能。

2軟件編制流程

型鋼混凝土梁設計校核軟件包括兩個模塊：Midas模型及內力讀取模塊及型鋼混凝土梁設計模塊。型鋼混凝土梁設計校核軟件開發的總流程如圖 1所示，具體解釋如下。

圖1　程序總流程

(1)調用Midas模型及內力讀取模塊，對相關構件的節點、單元、截面、節點約束、指定構件等信息進行存儲，通過該模塊讀取相關型鋼混凝土梁構件的設計內力，輸出構件設計參數表格，該模塊的詳細流程如圖2所示。

圖2　Midas模型及內力讀取模塊

(2)通過型鋼混凝土梁設計模塊 ，在上一模塊輸出的構件設計參數表格中，對相關構件進行批量設計，并輸出計算書，該模塊的詳細流程如圖3所示。

圖3　型鋼混凝土梁設計模塊

(3)型鋼混凝土梁構件設計完畢，程序結束。

3軟件編制關鍵技術

型鋼混凝土梁設計校核軟件編制過程中，對Midas計算內力調整、型鋼混凝土梁構件批量設計是程序編制的關鍵及難點。

3.1型鋼混凝土梁設計內力調整

在Midas Gen軟件中，大跨度復雜站房結構模型計算完成后，通過菜單[結果]-[分析表格]-[梁單元]-[內力]可以提取模型中梁單元在各工況下的內力計算結果，典型的梁構件內力輸出如表1所示[7]。

表1　梁單元部分工況下的內力

對于型鋼混凝土梁，設計內力采用的目標組合為：彎矩最大|Mmax|及相應的剪力V、剪力最大|Vmax|及相應的彎矩M。

由于《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ138—2001)[5]對應的《建筑抗震設計規范》(GBJ 11—89)與現行抗震規范要求不對應，按照《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)[8]、《高層建筑混凝土結構設計規范》[9]要求，對型鋼混凝土梁構件的抗震組合內力，進行考慮抗震要求的內力調整。

程序編制時，對于滿足抗震需要的“強剪弱彎”要求，參考現行主流設計軟件PKPM[10]、Midas Building[11，12]的處理方法，直接對水平荷載計算得到的剪力乘以放大系數，再與豎向荷載計算所得的剪力進行組合。對于不同抗震等級剪力放大系數的確定，按表2原則確定。

表2　鋼骨混凝土框架梁剪力調整

注：C1=max(1.1×1.1×超配系數，1.3)，超配系數是指在設計參數中輸入的實配鋼筋超配系數。

3.2公式改進

《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ138—2001)[5]規定，型鋼混凝土框架梁應驗算裂縫寬度及撓度，最大裂縫寬度及撓度值應按荷載的短期效應組合(相當于標準組合)并考慮長期效應組合的影響進行計算。

本文在程序編制過程中，結合《組合結構設計規范》(JGJ138—2012)(報批稿)[13]及《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)[14]，在進行混凝土構件裂縫、撓度計算時，按荷載準永久組合(荷載長期作用)并考慮長期作用影響計算。

同時，對于裂縫及撓度的計算公式，參照在《組合結構設計規范》(JGJ138—2012)(報批稿)[13]及《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)[14]按下式進行如下改進。

3.3型鋼混凝土梁批量設計

在進行型鋼混凝土梁批量設計之前，首先依據《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ138—2001)[5]有關型鋼混凝土梁計算原理及方法設計了單個型鋼混凝土梁構件設計程序，并與相關計算例題進行了對比分析及測試，結果驗證了本設計軟件的正確性。

單個型鋼混凝土梁構件設計程序界面如圖4所示。

圖4　型鋼混凝土梁計算程序

單個型鋼混凝土梁程序測試完畢后，將型鋼混凝土梁構件設計模塊集成在總程序中，讀取型鋼混凝土梁柱設計參數，利用循環設計命令進行批量設計。

4工程應用

4.1模型介紹

某火車站結構承軌層，柱距22 m，大跨度梁采用型鋼混凝土梁。梁、板混凝土等級C40，柱混凝土等級C50，型鋼采用Q345，鋼筋等級縱筋HRB400，箍筋等級HRB400，保護層厚度20 mm。結構抗震等級為一級[15]。

型鋼混凝土梁截面采用1 800 mm×2 600 mm(內置型鋼采用H1800×800×30×60)，與型鋼混凝土梁相連的柱采用鋼骨混凝土柱，截面采用25000 mm×2500 mm(內置雙向型鋼H1800×900×40×60)。樓面荷載：恒載按25 kN/m2，活載按 30 kN/m2，板厚400 mm。

Midas Gen中的計算模型如圖5所示。

圖5　測試模型

設計計算時，考慮荷載組合如表3所示。

4.2型鋼混凝土梁測試

利用本文所編型鋼混凝土梁設計軟件，依次選取相關選項進行構件設計。限于篇幅，本文僅以眾多型鋼混凝土梁構件中的某一根構件為例，用以說明所編型鋼混凝土梁設計軟件的實例應用。表4為Midas Gen模型輸出的準永久內力表格。

表3　荷載組合

表4　準永久荷載內力

對于型鋼混凝土梁設計時，需要考慮強剪弱彎內力調整。本軟件在模型計算時自動增加考慮剪力放大的內力工況，將不普通抗震工況所得的彎矩內力及考慮剪力放大的抗震工況所得的剪力匯總于表5。

表5　抗震組合剪力、彎矩

完成型鋼混凝土梁設計參數輸出及批量構件設計的計算參數及計算結果如表6～表7所示。從設計結果來看，對于該大跨度梁，實際配筋由裂縫控制，對于控制配筋，程序以彩色填充表示。

表6　型鋼混凝土梁設計參數及結果(一)

表7　型鋼混凝土梁設計參數及結果(二)

5結論

軟件編制過程中，通過軟件測試，發現和解決了軟件的不足之處，也使得軟件更加高效，本次軟件編制得出如下結論。

(1)本文介紹的軟件編制關鍵技術：Midas模型及內力讀取模塊中對于Midas Gen文本命令流的識別與讀取、Midas計算內力讀取與調整、型鋼混凝土梁構件批量設計可以為后續的相關軟件編制提供借鑒。

(2)通過軟件測試以及工程應用，驗證了所編型鋼混凝土梁設計軟件，可以正確讀取Midas Gen有限元計算軟件的內力計算結果，對鋼混凝土梁構件進行批量設計，明顯提高設計效率。

(3)由于程序編制所依據的《型鋼混凝土組合結構技術規范》(JGJ138—2001)為2001年頒布，與新版《混凝土結構設計規范》(GB20010—2010)及新版《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)部分內容沖突，軟件編制過程中參照新《混規》、新《抗規》及主流設計軟件PKPM、Midas Building等處理方法，對涉及型鋼混凝土梁內力調整系數、部分公式(如鋼骨梁的裂縫、撓度計算等)進行改進，軟件測試表明，改進公式與結構主流設計軟件一致，滿足工程實際需要。

參考文獻：

[1]鄭健.中國當代鐵路客站設計理論探索[M].北京:人民交通出版社，2009.

[2]鄭健. 2011中國鐵路客站技術交流會論文集[C].北京:中國鐵道出版社，2011.

[3]聶建國.型鋼混凝土組合結構設計實例與分析[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[4]劉大海.型鋼鋼管混凝土高樓計算和構造[M].北京:中國建筑工業出版社，2003.

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[7]北京邁達斯軟件有限公司.Midas/Gen分析與設計原理[M].北京: 北京邁達斯軟件有限公司，2004.

[8]中華人民共和國建設部.GB50011—2010建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

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[10]中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.SATWE用戶手冊及技術條件[M].北京:中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部，2012.

[11]北京邁達斯軟件有限公司.Midas Building用戶手冊及技術條件[M].北京:北京邁達斯軟件有限公司，2011.

[12]北京邁達斯軟件有限公司.Midas Gen用戶手冊及技術條件[M].北京:北京邁達斯軟件有限公司，2010.

[13]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ138—2012組合結構設計規范(報批稿)[S].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[14]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50010—2010混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[15]黃剛.昆明南火車站結構設計研究[J].鐵道標準設計，2013(6)：136-139.

Research on Application of Steel Reinforced Concrete Beam Design Software in Railway Station Buildings

SHEN Lei

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Based on Technical Specification for Steel Reinforced Concrete Composite Structure (JGJ138-2001) and some new national standards， steel reinforced concrete beam design software is coded in C# language. The software is used for batch design of steel reinforced concrete beams based on the finite element modeling (FEM) calculation results from Midas Gen， and extensively and effectively employed in the design of large span station buildings.

Key words：Steel reinforced concrete beam; Large span; Railway station buildings; FEM; Midas Gen; Batch design

文章編號：1004-2954(2016)05-0121-04

收稿日期：2015-11-11； 修回日期：2015-11-26

基金項目：中鐵第四勘察設計院集團有限公司課題(2012D28)

作者簡介：沈磊(1985—)，男，一級注冊結構工程師，注冊巖土工程師，2010年畢業于東南大學土木工程學院結構工程專業，工學碩士，E-mail:316789796@qq.com。

中圖分類號：TU248.1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.026