鋼結構的設計與計算案例分析研究

毛肖寧

摘要：通過獨立鋼柱三面型廣告牌的設計與計算案例，研究鋼結構廣告牌的結構體系與受力狀況，依據規范要求，在結構中如何行進行結構設計、荷載組合、空間結構計算模型、計算結果分析以及施工等內容。

Abstract： Through the design and calculation case of the independent steel column three-sided billboard， the structure system and the stress condition of the steel structure billboard are studied. According to the requirements of the code， how to carry on the structural design， the load combination， the spatial structure calculation model in the structure， analysis of calculation results and construction etc.

關鍵詞：空間結構計算;荷載組合;有限元程序;自振周期;變形控制

Key words： spatial structure calculation;load combination;finite element program;natural vibration period;deformation control

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0154-02

1? 工程概況

某鋼結構三面型廣告牌，獨立型鋼柱，高26m，離地面23.7m，水平尺寸為8×18m。該地區基本風壓為w=0.3kN/m2，地震設防烈度為7度。地基持力層為粉質粘土（Qm1+p1），承載力特征值fk=180kPa，壓縮模量ES=5.5～7.8MPa。

2? 設計方法選用

2.1 鋼結構體系的設計

根據工程項目的使用特點，本案例選用獨立鋼柱三面型廣告牌，結構體系采用空間鋼桁架。鋼立柱截面的選取，應考慮其強度、穩定性、廣告牌整體尺寸協調、美觀等因素。空間鋼桁架的主梁采用槽鋼，其他構件采用角鋼，結構外形要求平整，便于使用，為減小板面的變形，應采取加強骨架，增強面板與主骨架連接。

2.2 荷載的組合與計算

結合工程概況，本結構體系的荷載主要有：自重、風荷載、地震作用;風荷載與地震作用分別按（圖1）中的X、Y兩個方向。根據設計規范要求[1][2]，按（表1）的荷載組合，計算、分析和復核各種荷載組合情況下鋼結構的強度、穩定性。

2.3 風荷載的計算

本工程的基本風壓為w=0.3kN/m2，地區類別按B類考慮，重現期取1.1。根據建筑結構荷載規范[1]，風載體型系數的取法，迎風面為1.3，背風面為-0.8，總共取2.1的系數。

根據建筑結構荷載規范[1]，對于基本自振周期T1大于0.25s的工程結構，應考慮風壓脈動對結構發生順風向風振的影響。風振計算應按隨機振動理論進行，結構的自振周期應按結構動力學計算。本工程采用空間有限元計算，得出了廣告牌振動周期見（表2），可以看出基本自振周期T1=2.05s，遠大于0.25s，需要考慮風振的影響。

3? 空間結構計算與分析

3.1 空間結構計算模型的研究

廣告牌構筑物屬于典型的空間結構，需要按照空間結構模型來計算分析與穩定性驗算，特別是風荷載沿Y方向作用時，由于風荷載作用的不對稱，廣告牌的扭轉效應很明顯。廣告牌空間結構的主梁可簡化為剛結或鉸結在鋼立柱上的懸臂結構，主梁之間由橫梁及斜撐鉸結形成空間組合桁架。內力計算采用有限元程序在計算機上完成，可以采用梁、柱及桿三種單元型式。

3.2 空間結構抗震計算分析

我們用結構通用有限元程序對鋼結構進行了振型和周期計算，計算得到了鋼結構廣告牌的振動特性，自振周期見表2，第1、2振型見圖2。結果廣告牌鋼結構是安全的。

3.3 廣告牌變形控制

根據規范[2][3]的規定，我們計算分析了兩種工況的位移，形圖見圖3。從計算結果得出，第一工況的最大位移為21號節點（節點編號見圖1），位移為43mm，滿足規范要求。第二工況的最大位移為17號節點，位移為68mm，u/H=1/258<1/200，滿足要求。

4? 結構與基礎設計

4.1 結構連接設計

鋼結構的下部可根據自重較大的特點，可采用法蘭盤連接，上部桁架結構桿件受力一般不大，可采用焊縫連接。施工中注意焊縫的飽滿度及高度、螺栓的可靠性、鋼件的防腐處理。

4.2 工程基礎設計

基礎形式可采用獨立基礎和樁基礎。根據工程地質狀況和荷載情況，通過對基礎反力、抗傾覆和抗滑移的計算，本工程采用一階式獨立基礎，基礎埋深3.5m，高0.8m，底面為6.8m×11.2m。能夠滿足設計要求。

5? 結論

通過本工程的計算分析與設計，我們得出以下結論：

①獨立鋼柱三面型廣告牌屬空間結構體系，應按空間結構進行計算分析;②獨立鋼柱三面型廣告牌的自振周期較長，屬典型的柔性高聳構筑物，風荷載對獨立鋼柱三面型廣告牌的強度、穩定性、變形性起到控制作用，設計中主要考慮風振荷載的影響。

參考文獻：

[1]GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范（2016版）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.