基于有限元軟件分析某大[門鋼結構的設計

王秋婧

摘要：利用有限元分析軟件MIDAS/Gen對某工程大門的大跨度鋼結構進行受力分析。從結構形式的選取、荷載施加、約束條件等方面分別進行闡述說明。并根據計算結果進行鋼結構截面設計以及結構根部連接節點設計。最后針對本工程鋼結構的獨特性進行討論分析。

關鍵詞：有限元計算;鋼結構;受力分析;截面設計

中圖分類號：TU392.5;TU758.11

文獻標識碼：A

文章編號：1674—3024（2019）06—0208—02

門，是建筑的臉面，又是獨立的建筑，是建筑的形象和氣質所在。隨著時代的發展，社會的進步，人們對建筑大門的造型要求越來越高，形式越來越復雜，常用大跨度并結合鋁板幕墻或者石材幕墻等方式來實現門的外視效果以及功能作用。

雖然實腹式構件制作簡單，與其他構件連接方便，如鋼管，工字鋼，H型鋼等，幕墻工程中常采用這種形式，但是遇到跨度較大的結構，將會造成工程用鋼量的增加，而且截面過大，導致難以采購或者增加采購周期等問題，綜上考慮常采用格構式或者建立梁—桁架組合的結構方式來替代。筆者在某工程大門鋼結構設計過程遇到此類問題，故此通過整個結構計算過程來進行分析說明。

1 工程概況

該工程為某公司廠區正大門，原始設計為一側門衛房，一側石材獨立墻，結構簡單且樣式單一，如圖1所示。為了體現公司的特點，增加建筑的獨特性，最終的施工方案在原方案基礎上增加了大跨度鋁板帶造型，以顯示其空間感及層次感，如圖2所示。鋁板帶造型的內部鋼結構跨度36.7m，主立柱高12.8m，其中懸挑高度為5.4m。

2 結構設計構思

本工程造型鋁板帶完成面高度為600mm，簡支段跨度為20.8m，跨度較大。內部結構如果選取實腹梁結構，鋼梁截面在強度和撓度方面都很難滿足要求，同時不合適的截面會造成中間變形過大，產生凹陷。如果增大截面特性，將會導致結構笨重且增加采購的難度。因此本工程在設計鋁板內部的龍骨結構時考慮選取鋼桁架的結構形式。因為桁架結構受力明確，以弦桿代替翼緣，以腹桿代替腹板，整體受彎時，彎矩表現為上、下弦桿的軸心壓力和拉力，剪力表現為各腹桿的軸心壓力或拉力。桁架結構對跨度和高度較大的構件，其鋼材用量比實腹梁有所減少，但剛度卻有所增加。對于主立柱，選取四肢組合柱形式，通過綴條連成整體，此種結構形式比實腹柱用鋼量省且結構穩定性好。

3 結構荷載計算

結構主要承擔如下荷載（1）結構自重荷載，鋼材的重力密度為7.85x10^-6kg/mm³，重力加速度為9.8N/kg，鋼結構自重由程序自動添加;（2）鋁板幕墻自重標準值，取0.5kPa，施加于結構上;（3）風荷載，參考《建筑結構荷載規范》（GB5009—2012）相關規定，分別計算在正壓作用及負壓作用的風荷載標準值，考慮到結構主要受風荷載作用，因此參照圍護結構取局部體型系數。（4）雪荷載，參考《建筑結構荷載規范》（GB5009—2012），屋面積雪分布系數取2，基本雪壓按當地參數50年雪壓選取。

建筑結構設計根據使用過程中在結構上可能同時出現的荷載，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載組合，取最不利組合進行設計，因此考慮荷載在最不利組合情況下對結構的影響，對于主柱施加面板自重與風荷載組合，對于水平梁結構，將面板荷載，雪荷載與正（或負）風壓荷載的組合，選取最不利工況進行荷載施加，通過施加荷載設計值驗算結構的強度，施加荷載標準值驗算結構的撓度。

4 模型建立及結果分析

4.1 計算模型及邊界條件

結構計算模型如圖3所示，選取的單元為梁單元及桁架單元。雖然結構跨度大，但是形式簡單，且自重較輕，主柱采取鉸接的柱腳連接形式，與門衛房屋頂處連接的柱子同樣采取鉸接支座，雖然此位置會增加短柱的截面，但是可以降低支座反力，不會因門衛房的屋頂結構無法滿足反力要求而使造型結構難以實現。主柱的綴條與柱肢剛性連接，水平結構次梁與主梁為鉸接連接。

4.2 截面選取

本工程結構主要為拉彎構件和壓彎構件，截面為非圓管截面，按照下列方法即可進行截面的強度驗算：

公式

式中：N——同一截面處軸心壓力設計值（N）

M、M——分別為同一截面處對x軸和y軸的彎矩設計值（N.mm）

γ、γ——截面塑性發展系數。

A——構件的凈截面面積（mm2）

W——構件的凈截面模量（mm3）

f——鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值（MPa）

計算結果為主立柱截面為200x200x8箱型截面，主梁截面為100x100x8箱型截面，桁架截面為63*4角鋼截面。應力計算結果如圖4所示，位移計算結果如圖5所示，均滿足相關要求。

平面內的整體穩定性驗算，采用下列方法，即：

公式

式中：N——所計算構件范圍內軸心壓力設計值（N）;

M——所計算構件段范圍內的最大彎矩設計值（N.mm）;

ψx，NEx——分別為彎矩作用平面內軸心受壓構件穩定性系數和參數，由長細比換算;

A——構件的毛截面面積（mm2）;

W1x——對虛軸的毛截面模量（nmm3）;

βmx——等效彎矩系數。

4.3 支座節點連接設計

有限元計算結果中，約束位置的節點號如下圖6，對應的反力值參見表1。門衛房屋面對應的約束反力值均在其主體結構的承受范圍內，支座可以通過設置平板埋件或者常規后置埋件即可實現。

5 結語

本文給出了復雜造型大門的鋼結構實際施工案例受力分析的具體思路，分別從以下方面全面闡述（1）實腹式截面和格構式截面的優劣性分析來確定合適的結構方案;（2）有限元模型簡化;（3）荷載取值;（4）邊界處理，即由于簡支梁另外一端通過短柱固定在門衛房屋頂，需要考慮該屋頂主體結構是否可以承擔結構的反力作用，因此從降低反力值的角度考慮，此位置設置鉸支座比剛接支座更合理;（5）構件截面確定。通過有限元計算得出選取的方案滿足工程規范的設計要求及實際施工要求。通過此文希望給工程師們在類似的鋼結構受力分析方面提供參考與借鑒。

參考文獻：

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