基于STAAD.Pro和SSDD的大跨度鋼桁架三維有限元分析

刁慧賢 宋浩靜 凡 威 任威威

(1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450000; 2.河南廣播電視大學鄭州信息科技職業學院，河南 鄭州 450000)

1 概述

國外某電廠的三條取排水管線在某處需跨越一條地埋天然氣管道和一條約4 m寬的道路。該處取排水管采用架空布置，由于征地權限問題，中間區域不能設置支座。設計考慮采用一跨為30 m的鋼結構桁架支撐取排水管跨越天然氣管道及道路，具體見圖1。

PKPM和世紀旗云等軟件通常只能計算平面鋼結構桁架[1]，而STAAD.Pro是近年來工程中常用的三維有限元分析軟件，它界面清晰、建模方便，計算快捷，后處理不僅能輸出結構的應力變形結果，還可以結合SSDD軟件對鋼結構規范上要求的各個控制條款進行中國規范檢驗，相比平面桁架計算能更準確的模擬實際工況。本文采用STAAD.Pro和SSDD軟件對上述30 m大跨度鋼結構桁架進行三維有限元應力變形分析及規范檢驗，為大跨度鋼結構桁架的設計和研究提供一定的理論支持。

2 建模計算

2.1 建立模型、指定構件、設置支座

各構件截面如表1所示，桁架平、立面圖如圖2，圖3所示。在STAAD.Pro中建立模型并將所有的豎桿及斜桿指定為桁架構件(軸心受力構件)。鋼結構桁架3D模型如圖4所示。

考慮柱下端為固定支座，將柱下8個節點設置固定支座。

表1 桁架構件截面特性

2.2 荷載工況

2.2.1基本荷載工況

幾何模型建立完成之后，添加基本荷載工況，施加在桁架構件上的基本荷載取值如表2所示。

表2 基本荷載工況取值

2.2.2組合荷載工況

根據SSDD中菜單“建模—一般結構荷載向導—組合工況—增加自動組合”。程序會自動根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范(2016年版)及GB 50009—2012建筑結構荷載規范生成所有控制內力及位移的荷載組合。組合值系數如表3所示。

表3 荷載組合系數

3 計算結果分析

添加“perform analysis”命令進行分析計算，各構件計算結果如下。

3.1 內力計算結果

3.1.1柱內力計算結果

柱最大、最小內力計算結果如表4所示，基于此結果可以進行鋼結構柱腳設計。

表4 柱最大、最小內力

3.1.2上、下弦桿內力計算結果

上、下弦桿最大、最小內力計算結果如表5所示。

表5 上、下弦桿最大、最小內力

3.1.3橫擔內力計算結果

橫擔最大、最小內力計算結果如表6所示。

表6 橫擔最大、最小內力

3.1.4軸心受力桿件內力計算結果

軸心受力的斜桿及豎桿最大、最小內力計算結果如表7所示。

表7 軸心受力桿最大、最小內力

基于上述內力計算結果，可以進行鋼構件間的節點連接設計。

3.2 位移計算結果

3.2.1結構位移變形圖

荷載工況128：1.0DL+1.0LL+1.0EX+0.2WF(其中DL指恒荷載，LL指活荷載，EX指x方向地震水平力，WF指前風荷載)是控制位移的典型工況之一，工況128條件下的結構位移變形以1∶1 000比例顯示,如圖5所示。該工況下最大位移為6.76 mm，發生在第47號節點處。

3.2.2層間相對位移

添加“Print story drift”命令，輸出結構的相對層間位移，最大值如圖6所示。

如圖6所示，該鋼結構桁架最大相對層間位移為L/1 032。根據GB 50017—2017鋼結構設計規范，相對層間位移限值為L/400，L為層高[2]。故該鋼結構桁架層間位移滿足規范要求。

3.3 普鋼規范檢驗

分別指定材料設計參數、構件設計參數，然后進行普鋼規范檢驗。檢驗條款如表8所示，檢驗結果以應力比的形式體現，如圖7所示。應力比是規范檢驗相關的系數，為各檢驗條款實際值與限值的比值。每個構件應力比大于1.00，表示構件破壞，應力比小于0.30，表示構件過于安全，應力比處于0.30～1.0之間，表示構件截面通過檢驗，既不破壞也不過于浪費。結果顯示，該鋼結構桁架各構件均通過所有檢驗條款，無破壞構件、無過于安全構件。

表8 普鋼規范檢驗條款

4 結語

本文以30 m跨度的鋼結構過路桁架為例，基于STAAD.Pro和SSDD軟件，進行結構的三維有限元應力變形分析，并對規范上要求的所有條款基于中國規范進行檢驗。計算過程簡單方便，輸出結果清晰明了，可靠度較高。計算過程中應注意以下幾點：

1)桁架模型中的斜桿和豎桿為軸心受力構件，建模過程中應進行約束釋放或將該構件指定為桁架構件。

2)建模過程中應注意構件的放置方向是否跟主受力方向一致，若不一致，應對構件指定合適的Beta角，調整至與主受力方向一致。

3)進行普鋼規范檢驗設置構件設計參數時，應分清各構件的構件類型。這一步是構件正確進行規范檢驗的前提。