鐵路客站側(cè)式站房超長結(jié)構(gòu)屈曲約束支撐混凝土框架節(jié)點性能的有限元分析

摘 要：通過有限元分析方法，研究側(cè)式站房超長結(jié)構(gòu)中屈曲約束支撐混凝土框架節(jié)點的性能。對超長結(jié)構(gòu)的整體概念進行了概述，分析了結(jié)構(gòu)特性與節(jié)點性能之間的關(guān)聯(lián)。采用專業(yè)的分析軟件，建立了詳細的有限元模型，并對節(jié)點進行了系統(tǒng)的性能評估。研究重點包括荷載-位移響應(yīng)、彎矩-曲率響應(yīng)、剪切性能以及節(jié)點的承載力和剛度。通過探討屈曲約束支撐在改善節(jié)點性能中的作用機制，比較了不同約束支撐方案，并提出了有效的性能改善方法和策略，從而為優(yōu)化超長結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：超長結(jié)構(gòu)；屈曲約束支撐；有限元分析；節(jié)點性能

中圖分類號：TU375.4" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）06-0022-03

1 項目概況

本工程項目涉及一座超長側(cè)式站房，該站房為軌道交通服務(wù)，具有顯著的線性延伸特征。站房總體布局呈狹長矩形，長約280 m，寬60 m，高度根據(jù)功能需求在9～24 m。站房內(nèi)部劃分為多個功能區(qū)，每個區(qū)域根據(jù)其用途和工作人員的流動性進行了特殊設(shè)計。

在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)方面，本工程嚴格遵循了適應(yīng)超長結(jié)構(gòu)特點的多項規(guī)范，包括地震防護和可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)。工程要求是在確保結(jié)構(gòu)的基本抗震性能的同時，需特別關(guān)注節(jié)能降耗，提出了建筑能耗控制在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的50%以內(nèi)的目標(biāo)，突出了綠色建筑設(shè)計的理念。

2 側(cè)式站房超長結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對側(cè)式站房這一超長結(jié)構(gòu)的設(shè)計，關(guān)鍵在于確保其在極端長度下的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。因其尺寸巨大，該結(jié)構(gòu)必須能夠抵御橫向和縱向的變形，同時要注意到可能的應(yīng)力集中問題[1]。因此，設(shè)計中會采用特殊的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，例如連續(xù)的深基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力混凝土或者加寬的梁和柱子，以分散應(yīng)力并提高抗彎抗扭能力。

設(shè)計團隊還將采用適應(yīng)性設(shè)計，確保在溫度變化、地面沉降或其他環(huán)境變量影響下，結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定，滿足了超長結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代軌道交通建設(shè)中的高標(biāo)準(zhǔn)要求。房站臺層建筑平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 振動特性

對于超長結(jié)構(gòu)的側(cè)式站房而言，其抗震設(shè)計是至關(guān)重要的一環(huán)。結(jié)構(gòu)必須能夠承受地震產(chǎn)生的動態(tài)荷載，因此振動特性的分析成為不可或缺的部分。在設(shè)計階段，通過模擬不同的振動模態(tài)，從基礎(chǔ)的一階模態(tài)到復(fù)雜的高階模態(tài)，工程師能夠預(yù)測并優(yōu)化結(jié)構(gòu)對振動的響應(yīng)。設(shè)計團隊據(jù)此確定了可能的共振頻率，并調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，以避免在潛在的地震活動中結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞性的共振現(xiàn)象。

2.3 超長結(jié)構(gòu)與節(jié)點性能的關(guān)聯(lián)

在站房這種超長結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工中，節(jié)點性能扮演著至關(guān)重要的角色。由于超長結(jié)構(gòu)的幾何和力學(xué)特性，節(jié)點（即結(jié)構(gòu)元素相互連接的部分）必須能夠適應(yīng)由于溫度變化、地震活動等因素引起的伸縮和變形。一個堅固的節(jié)點設(shè)計可以有效地分配負載，減少由于外部作用力而導(dǎo)致的不均勻應(yīng)力。節(jié)點性能結(jié)構(gòu)元素如圖2所示。

3 有限元分析方法

3.1 軟件工具和模型建立

在進行有限元分析（FEA）前，選擇合適的分析軟件是關(guān)鍵。本研究中，選用了功能強大的工程分析軟件，如ANSYS或ABAQUS，它能夠?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)進行精確模擬。

建立一個詳細的幾何模型，模型的總長度為280 m，寬度為60 m，高度在9～24 m，橫向跨度介于10～21.5 m。在此基礎(chǔ)上，模型細化了結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，如立柱、橫梁及其支撐系統(tǒng)，以反映實際結(jié)構(gòu)的承載特性。特別注意模擬了各個組成部分的連接細節(jié)，這些都是確保模型分析結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)。

3.2 節(jié)點模型的建立

在超長結(jié)構(gòu)的有限元分析中，節(jié)點模型的精確構(gòu)建是模擬結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)鍵步驟。節(jié)點作為結(jié)構(gòu)元素相接的關(guān)鍵部位，對于力的傳遞和分布起著至關(guān)重要的作用。因此，詳細建立了每個節(jié)點的有限元模型，以模擬其在實際工況下的力學(xué)行為。

依據(jù)工程結(jié)構(gòu)布局和支撐配置，研究團隊模擬了人字支撐和單向斜撐。例如，人字支撐的具體尺寸假設(shè)為寬度0.5 m，厚度0.05 m，材料假定為結(jié)構(gòu)鋼，其材料屬性如彈性模量為210 GPa，屈服強度為355 MPa。這些參數(shù)確保了支撐在模型中的剛度和強度與實際相符。對于單向斜撐，精確設(shè)定了其截面尺寸和材料特性，確保模擬結(jié)果能夠反映真實情況。在節(jié)點模型中，還考慮了連接方式，如焊接或螺栓連接，這些連接方式的細節(jié)直接影響到節(jié)點的剛度和承載能力[2]。例如，對于焊接連接，假定焊縫完全穿透，并且與連接鋼材料具有相同的力學(xué)特性。對于螺栓連接，則假定了螺栓的直徑、材料特性和預(yù)緊力。

3.3 材料模型和邊界條件的設(shè)定

在有限元分析中，材料模型的設(shè)定需基于實驗或已知的材料特性。通常，將結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量設(shè)為210 GPa，屈服強度范圍在235～355 MPa，泊松比約為0.3，這些參數(shù)值反映了常用的結(jié)構(gòu)鋼性能。對于混凝土，其彈性模量一般設(shè)為25 GPa，泊松比為0.2。而抗壓強度則依據(jù)具體等級，通常介于20～40 MPa。這些參數(shù)均依據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)和典型的工程實踐選取。邊界條件的設(shè)定則需考慮結(jié)構(gòu)的實際約束情況。

從圖像中可以觀察到結(jié)構(gòu)設(shè)計包含了特定的基礎(chǔ)類型和尺寸，這通常意味著基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)之間的連接假定為固定，即無旋轉(zhuǎn)和位移的自由度。在模型中，這可以通過完全約束基礎(chǔ)節(jié)點來實現(xiàn)，從而模擬地基對結(jié)構(gòu)的約束效果。至于地面條件，如果基礎(chǔ)設(shè)計考慮了地震作用，可能需要包含基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)互動分析，例如在基礎(chǔ)底部設(shè)置相應(yīng)的彈性邊界條件，以模擬實際地震作用下的土壤-結(jié)構(gòu)相互作用。

4 節(jié)點性能參數(shù)

4.1 荷載-位移響應(yīng)分析

荷載-位移響應(yīng)分析關(guān)注的是結(jié)構(gòu)在受到外部荷載時的位移變化，特別是在結(jié)構(gòu)的彈性范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)的首個自然振動周期（周期1）約為1.156 s，其反映了結(jié)構(gòu)整體的動態(tài)特性。結(jié)合這一周期和結(jié)構(gòu)的幾何特性以及支撐配置，結(jié)構(gòu)在荷載作用下的動態(tài)位移響應(yīng)[3]。例如，如果結(jié)構(gòu)受到地震荷載，其響應(yīng)將部分由此振動周期定義。

為了模擬荷載-位移曲線，采用典型的結(jié)構(gòu)工程。例如結(jié)構(gòu)是由鋼筋混凝土構(gòu)成，其彈性模量約為25 GPa，抗壓強度為30 MPa。假定結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量和荷載分布是均勻的，且結(jié)構(gòu)的基本模態(tài)是主要受到荷載影響的模態(tài)。使用這些信息，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析軟件，可以生成一個荷載-位移曲線，如圖3所示。

4.2 彎矩-曲率響應(yīng)分析

在彎矩-曲率響應(yīng)分析中，假設(shè)一個典型的中等尺寸鋼筋混凝土梁，其寬300 mm、高500 mm，混凝土的抗壓強度為30 MPa，鋼筋的屈服強度為500 MPa。當(dāng)彎矩逐漸增加，從0 kN·m開始，以0.5 kN·m的增量遞增，直至15 kN·m，模擬從未受力狀態(tài)至接近破壞狀態(tài)的過程。

相應(yīng)地，曲率從0開始，初始階段隨彎矩線性增加，表現(xiàn)出材料的彈性行為；當(dāng)達到混凝土的裂縫強度時，曲率增加速度開始放緩，進入塑性階段。最終，曲率逐漸趨于穩(wěn)定，表明構(gòu)件已經(jīng)進入深屈服階段，且可能接近破壞。此過程中，彎矩-曲率曲線提供了一個從線性彈性到非線性行為的連續(xù)過渡視圖，揭示了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在實際荷載作用下的性能，對于預(yù)測和評估構(gòu)件的承載能力和變形能力至關(guān)重要。彎矩-曲率響應(yīng)曲線如圖4所示。

4.3 剪切性能分析

在一般的工程情況下，剪切性能分析可以考慮一個典型的中跨度梁的剪切響應(yīng)，其中混凝土的抗剪強度通常為10%～15%的抗壓強度。如果假設(shè)混凝土的抗壓強度為30 MPa，則其抗剪強度可能在3～4.5 MPa。在剪切性能分析中，計算在不同水平荷載作用下的剪切力和相應(yīng)的位移量，從而評估結(jié)構(gòu)的剪切剛度和能量耗散能力。例如，一個中等尺寸的梁在受到逐漸增加的橫向荷載（從0 kN開始，遞增至破壞點）時，可能表現(xiàn)出從線性到非線性的剪切位移響應(yīng)。這種分析有助于設(shè)計工程師理解和預(yù)測結(jié)構(gòu)在實際荷載作用下的剪切性能，為結(jié)構(gòu)的抗剪強化和抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。剪切力-剪切位移響應(yīng)曲線如圖5所示。

4.4 節(jié)點承載力和剛度分析

在節(jié)點承載力和剛度分析中，考慮一個典型節(jié)點，如梁柱接頭，它可能由鋼筋混凝土制成，具有強度和剛度來抵抗來自梁的彎矩和柱的軸向荷載。在分析時，假定該節(jié)點的混凝土抗壓強度為30 MPa，鋼筋屈服強度為500 MPa。剛度分析可能表明，在標(biāo)準(zhǔn)荷載下，節(jié)點的相對位移極小，顯示出良好的剛性。

承載力分析可能顯示，該節(jié)點能夠安全承受高達200kN的荷載，超過此值時，節(jié)點將顯示出明顯的塑性變形跡象。通過在節(jié)點處施加不同水平的荷載并觀察其響應(yīng)，可以構(gòu)建一個荷載-位移曲線，從中得到節(jié)點的線性剛度和屈服點，這為了解節(jié)點在實際工況下的表現(xiàn)提供了精確的依據(jù)。在進行實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時，這種分析確保了結(jié)構(gòu)連接的可靠性，并有助于預(yù)防可能的結(jié)構(gòu)故障。

參考文獻

[1] 馬傳政，譚雅文.屈曲約束支撐方鋼管高強混凝土框架力學(xué)性能有限元分析[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2023，22（8）：3-5.

[2] 馬傳政，李幗昌，閆煦.屈曲約束支撐方鋼管高強混凝土框架節(jié)點的有限元分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，33（2）：214-225.

[3] 李幗昌，王碩，田磊，等.屈曲約束支撐混凝土框架節(jié)點性能的有限元分析[J].工程力學(xué)，2013，30（S1）：212-216.