建筑受力構件中壓力與拉力案例分析

鄭其榮

（甘肅泓文建筑設計有限責任公司，甘肅蘭州 730000）

0 前言

在建筑建設期間，其最為基本的受力方式就是壓力和拉力，其在整個建筑歷史上對于建筑行業的發展有著十分重要的意義。但是在歷史發展的角度來分析，對于拉力和壓力的受力研究與分析卻不在同時進行。由此本文結合建筑結構中壓彎構件和鋼結構雨棚體系設計內容和受力分析的內容進行詳細分析，也為后續相關建筑工程的實施提供一些有效的參考與建議。

1 建筑鋼結構壓彎構件的極限承載力分析

1.1 有限元參數化與模型的建立

為了研究不同因素下對于負載下的焊接加固壓彎構件的極限承載力的分析與影響，本文采取工字型截面翼緣外對稱貼焊鋼板加固鋼珠，其在柱底進行固結，柱體的頂面內自由，沒有面外的平動約束條件，選擇不同初始的最大應力比和偏心距以及長細比等參數進行計算，其中面內為繞強軸，面外為繞弱軸。

初始最大應力比為0.0、0.2/0.4/0.6/0.8，偏心距為500/100/150mm，長細比（加固后面外）為40/60/80/100，焊接熱的輸入等級為0級時無焊接熱輸入，焊接熱的輸入等級為A 級時電流25A、電壓110V、焊接速度為7mm·s-1、焊接間隙時間為2min，焊接熱的輸入等級為B 級時電流25A、電壓220V、焊接速度為3.5mm·s-1、焊接間隙時間為2min。

1.2 鋼材材性和初始缺陷

在有限元計算中，鋼材材性參數取值參照《鋼結構設計規范》中Q345 鋼材性質參數，其屈服強度為fy=345MPa，極限強度為fu=470MPa。在不同的溫度下，材性根據歐洲規范確定，不同溫度下的屈服應變以εyr表示，其中對應的屈服強度最大應變取值為0.02和0.15；極限應變取值為0.20。

本文對工字形截面和加固板的初始殘余應力采取ECCS《鋼結構穩定手冊》中的模型進行分析，得到相應的應力分布圖。且考慮到網格劃分之后，根據所應用的焊接殘余應力分布的簡化模型圖，結合inistate 指令命令其在ANSYS 模型中施加，最終得到其幾面的殘余應力分布情況圖。沿著構件方向，全長各個截面數值基本相同，并且與簡化輸入存在的誤差較小，大約為10MPa。

2 斜拉鋼結構雨棚體系設計與分析

2.1 斜拉鋼結構雨棚體系的設計與研究

本設計斜拉鋼結構雨棚站臺寬度為12m 的雙柱雨棚，目前基于斜拉鋼的結構分析，其所設計的雨棚形式主要分為兩種，第一種為斜拉桿和縱向進行拉結作用，該方法對于同一根鋼柱來講，其具備兩個斜拉點。而第二種，斜拉桿與縱向和橫向進行雙重拉結，這樣在同一根鋼柱上則會出現4個斜拉點。結合相關計算來研究可以發現，橫向的斜拉對于該作用體系沒有多少具體的作用，甚至還會呈現出十分凌亂的問題。所以本文以縱向方位的斜拉桿進行設計，這樣在鋼柱的頂部設置斜拉點，將其直接和縱桁梁進行連接。在斜拉桿的作用下，其可為屋蓋提供彈性支撐，增加屋蓋材料的跨度，其有著傳力線路簡便、安裝便捷的優勢[1]。

2.2 斜拉鋼結構雨棚體系設計

本案例設計的斜拉桿結構在承受風壓力過程中，其應力達到最大值。其設計選擇32mm的圓鋼進行設計，斜拉桿的兩側，利用螺母形式的花籃螺栓進行擰緊，作為受拉單元，在縱梁方向上斜拉桿的拉力相當于集中力，這樣在受力方面分析，在實際施工中希望能夠將其集中力以較短、可靠的路徑進行傳遞，進而在縱梁上通過節點板實現快速擴散的目的。但是這樣設計的方法需要考慮到以下幾點：

（1）需要在施工中注意節點本身的受力需合理、安全。

（2）防止集中應力在縱梁錨固節點上，要促使其能夠均勻分布，以此來保障整個結構的安全性。

（3）需保障斜拉桿在節點上的拉力以及后續換索工作滿足施工要求。

（4）在設置錨固節點期間，需要保障在該節點上的加工與制作等工序的便捷性與可靠性。

本設計12m 寬斜拉鋼結構雨棚12m 縱向主梁形式為平面圓鋼管桁架，其具體的受力分析如表1所示。

表1 12m寬站臺雨棚斜拉桿受力分析

同時其優點在于圓管的對稱面也促使截面中的慣性矩對于各個軸作用力相同，這樣可促使單一斜欄桿的穩定設計；截面閉合也提升其整體的抗扭剛度，閉合的截面也可對懸挑板件的開口截面穩定性有著十分重要的促進作用。基于本次設計而言，利用圓鋼管所制作的桁架外表美觀，且其外部的表面積相較于具備同樣承載性能的開口截面鋼構件更小，這樣可以減少其外部防腐與防火涂料的使用量以及涂裝工作的施工量，減少人力、物力與財力的支出[2]。

本設計圓鋼管桁架使用的節點類型均為相貫節點。采用相貫節點的鋼管結構與采用其他節點形式的鋼管結構相比，一個顯著的區別表現在于，桿件和節點設計的獨立性減少，決定桿件承載性能的那些材料和幾何要素也同時決定了節點的性能。合理的設計應尋求桿件和節點力學性能的最佳結合點。

3 案例分析

結合對上述案例的分析中可以明確的是，在建筑設計與建設期間，工程師最開始最為依賴的就是壓力，其次對壓力進行充分利用，到現代在建筑的設計發展理念中，逐漸開始盡量避免壓力的產生，但是對于構件的拉力而言發展趨勢卻剛好相反。首先難以駕馭拉力，后續為合理、充分利用，到現代建筑結構設計中已經沉迷于對拉力的設計和使用。而造成壓力與拉力設計此消彼長的主要原因在于以下兩個方面：

（1）原材料的發展。古老的建筑一般都是使用的混凝土和石頭作為主要建筑材料，而這兩種材料本身抗壓能力較強，但是其本身的抗拉能力卻相對較弱。后續以鋼材來大量建設建筑物主要是因為這種材料具備一定的抗拉和抗壓性能。同時在大量生產鋼鐵材料之后，也促進建筑物構件設計中對于拉力的使用效果。

（2）結構分析技術的不斷發展。從古代最為初始的簡支梁到萬神廟的員工結構、再到拋物線和懸鏈線等結構，建筑工程開始改進了建筑結構工程的形式發展。發展到近代開始，根據數學計算和力學分析，工程師開始運用圖解靜力學或者是根據計算機等相關工具也進一步優化了形和力之間的關系，促使拉力與壓力都得到充分的解放。這對于拉力的發展有著十分重要的促進意義。

4 結語

綜上所述，無論是壓力還是拉力，在整個工程學上都屬于一種極為高效的受力形式，但是在目前工程建筑中依舊存在一些盲目的拉力設計風潮，因此需要結合建筑構件的實際設計情況來合理配置壓力與拉力的比例，促使建筑形式和力學性能能夠保持和諧一致。