第!"

卷第#

期

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展

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收稿日期!

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"收到修改稿日期!

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作者简介!

李俊丽#

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$%&女&硕士研究生&主要从事结构加固改造方面的研究(

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(

陈道政#

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$%&男&博士&教授&主要从事建筑物结构加固及建筑结构设计等方面的研究(

某大型钢结构风帆的设计与分析

李俊丽&陈道政&宋巨峰!合肥工业大学 土木与水利工程学院"合肥

!

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#

摘!

要!

!

近年来"钢结构越来越多地应用于雕塑类等特种结构工程中"此类钢架结构的变形及受力要求高"且为空间

受力"结构设计难度增加$以某特种钢结构雕塑为工程背景"利用有限元软件/9'$%%%

建立结构的三维模

型"考虑不同荷载工况"对模型进行模态分析"获得其振动模态及其基本自振周期"通过其模态周期来研究结

构的整体动力特性$通过分析得到的结构构件应力比和现场采用钢弦式表面应变测量法监测得到的结果均

符合规范要求$另外"对下部基础%承台梁%柱及厚板进行分析和设计"并验算基础的抗倾覆能力&钢结构设

计中"节点的连接尤为重要"结合该钢结构工程"对节点的设计进行了探讨$该钢架结构的分析与设计"可为

同类钢结构工程提供参考$

关键词!

!

风帆钢结构&模态分析&动力特性&钢弦式表面应变测量法&基础设计

中图分类号!

FGB!"

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文献标识码!

9

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文章编号!

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.

!!

钢结构具有较好的延性"耗能性能好,

!

-

"外表美观$

鉴于钢结构的诸多优点"其越来越广泛地被应用于城市

雕塑中$

/9'$%%%

有限元软件可以很方便且直观地建立

复杂模型"在解决好平面布置%柱底连接和荷载输入等问

题后"可以正确地进行结构计算和设计,

$

-

$文献,

B?;

-通

过/9'$%%%

对钢结构建立有限元模型"进行模态分析和

动力时程分析"分析研究了其动力特性$文献,

&?"

-运用

其它有限元软件对不同的异形雕塑建立有限元模型并分

别研究其结构静力和动力特性$文献,

=

-从多个角度分

析了雕塑结构设计过程中需要注意的问题$但是"目前

对于大型异形钢结构的设计研究还不够深入"例如"对于

带承台的特种钢结构建筑"其抗倾覆能力往往被忽略等$

!!!

建 筑 钢 结 构 进 展 第!"

卷!

本文结 合 潍 水 风 帆 钢 结 构 雕 塑"利 用 有 限 元 软 件

/9'$%%%

分析讨论了其整体动力性能及下部结构设计"

并且结合现场监测"验证了设计方案是安全可靠的"为类

似特种钢结构的设计提供参考$

7

!

工程概况

潍水风帆灯塔作为一个特种钢架结构"主体高度为#B

@

"重$$%0

$潍水风帆灯塔钢架为空间刚架外加柔性拉杆

体系"造型美观"体系复杂$拟建工程场地地震设防烈度

为<

度"设计基本地震加速度为%7!;

*

"建筑场地类别为

CCC

类"设计地震分组为第一组"建筑抗震设防分类标准为

丙类"基本雪压值取%7B;K8

2

@

:$

"基本风压值取%7#%

K8

2

@

:$

"按g$;h

"考虑温度作用$该工程中承重构件

钢材材质均为a$B;2

"拉杆材质为B%#?!"M("8-

不锈钢$

潍水风帆实物图如图!

所示"平面尺寸如图$

所示$

图.

!

潍水风帆实物图

23

4

5.63'$9%),=',8#$%9'$3,8

9

!

结构整体动力分析

987

!

荷载分析

!!

根据建筑结构所处地理环境及其自身实际情况"在

图A

!

潍水风帆立面图"单位!

:

#

23

4

5A

!

N;)M&$3,8,=#$%9'$9%)

"

J83$

!

:

#

结构计算中共考虑了=

种荷载工况"包括'恒荷载5

!包

括自重#%活荷载(

%

;

方向风荷载!左侧#

A

;

%

<

方向风荷

载!左侧#

A

<

%

;

"

<

方向风荷载!正方向#

A

;

"

<

%升温作用

C

3

%降温作用C

4

%

;

方向地震作用6R

;

%

<

方向地震作

用6R

<

$

基于结构的承载力极限状态与正常使用极限状态"

共考虑了!&

种荷载组合"如表!

所示$

由于结构体型复杂"风力作用面选择来自面对象"按

照荷载规范"在风帆面上直接定义风荷载体型系数"为不

同的面单元定义不同的体型系数"需要注意的是要根据

相应的面局部坐标系统施加相应的体型系数$一般情况

下"一个工况定义一个方向就可以了"

/9'$%%%

默认组

合"包含正风向和反风向$

989

!

有限元模型的建立

在/9'$%%%

中建立有限元模型时"结构钢柱采用

2+A@

单元"钢棒采用F(3,,

单元"由于结构的造型复杂

且侧向刚度较小"故钢管柱脚与混凝土基础采用刚性连

接$结构计算模型如图B

所示$

表.

!

基本荷载组合

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!

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CB

第#

期 某大型钢结构风帆的设计与分析!!

图B

!

计算模型图

23

4

5B

!

>&;'9;&$3,8:,-);#

98:

!

结构整体的动力特性分析

在结构整体动力特性分析过程中"取结构的前$%

个

模态进行计算分析"其各阶自振周期结果如表$

所示$在

工程设计中"结构的前几阶振型起着决定性作用"所以取

结构的前六阶振型模态进行研究"其模态图如图#

所示$

图C

!

结构振型模态图

23

4

5C

!

G$%9'$9%&;M3"%&$3,8:,-)#

!!

由表$

可以看出"结构的整体刚度较好"前三阶周期

分别为C

!

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"

C

$

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"

C

B

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"结构的周期

表A

!

结构自振周期

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7

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模态 周期),

模态 周期),

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B

(

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!

%

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"满足.高层建筑混凝土结构技术规程/

!

N B

)

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#

,

!%

-要求$

98;

!

应力计算结果

在空间结构实际工程的设计过程中"设计人员通常

依靠设计软件"以完整结构杆件的应力与材料屈服强度

的比值!简称应力比#作为设计的重要控制指标,

!!

-

$为了

方便分析"对结构构件进行编号如图;

所示$应力计算

结果按.钢结构设计规范/!

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)

$%%B

#

,

!$

-验算"钢

结构各单元/9'$%%%

应力比如表B

所示"其中最大应力

比为%7$"$

"满 足 .钢 结 构 设 计 规 范/!

N2;%%!<

)

$%%B

#

,

!$

-的要求$可以看出"最大应力分布在柱脚与单元

片桁架的交接处$

图D

!

构件编号

23

4

5D

!

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7

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建 筑 钢 结 构 进 展 第!"

卷!

表B

!

应力比

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98<

!

现场应力监测分析

钢结构受力作用下应力?

应变测量有多种方法"考虑

到本文中钢结构受力周期较长"外部温度变化较大"采用

钢弦式表面应变测量法$

在结构受力之前"在所测结构上固定钢弦式表面应

变计$根据钢弦式表面应变测量法原理"通过钢弦式表

面应变计得到构件的应变"由本构关系"换算得到构件的

应力"由此综合判定构件实际受力是否满足设计要求及

结构安全要求$本次监测采用的钢弦式表面应变计"标

注为!!%@@

"测试灵敏度gB

+

,

$

&;

个应变监测点布置

于如图;

所示的各构件上"应变计粘贴于各构件的中点

位置$整个监测周期为!

年"将监测期间各构件最大应

力比列于表#

$可以看出"各构件的最大应力比为%7&<%

"

满足.钢结构设计规范/!

N2;%%!<

)

$%%B

#

,

!$

-要求$

:

!

下部结构的计算

潍水风帆下部结构包括厚板及梁%柱和基础的设计"

利用/9'$%%%

算出柱顶的各种反力并作为外荷载用以

计算其下部结构的配筋$

:87

!

基础设计

根据岩土勘测报告"确定该工程的基础埋深为B@

"

基 础持力层为中粗砂层"承载力特征值J

AK

[!$%K'A

$

基础体系主要由框架柱%暗梁及悬挑暗梁组成"基础平面

图如图&

所示$

表C

!

应力比监测最大值

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4

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序号 应力比 序号 应力比 序号 应力比 序号 应力比

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图E

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基础平面图"单位!

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23

4

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7

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"

J83$

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#

!!

采用/9'$%%%

有限元软件进行结构计算"根据结构

效应的等效原则"把灯塔钢结构包括基础的全部重量换

算成等效均布荷载"考虑各种荷载工况下的荷载效应"然

后按荷载效应组合计算出灯塔柱顶反力$其中"竖直方

向反力K

=

压力为正"上拔力为负"基础自重和结构自重

等产生抗倾覆力矩"定义此力矩方向为正$分别对$;

"

$"

支座连线和$&

"

$<

支座连线在基础底面的投影线进

行抗倾覆验算"所有外力对$;

"

$"

投影线取矩的和记为

-

E

$;?$"

"所 有 外 力 对$&

"

$<

投 影 线 取 矩 的 和 记 为

-

E

$&?$<

"计算结果如表;

所示$可以看出"

-

E

$;?$"

&

%

"

-

E

$&?$<

&

%

"下部结构抗倾覆满足要求$其中"抗板厚G[

"%%@@

"柱高/[B$;%@@

"如图<

所示$

EB

第#

期 某大型钢结构风帆的设计与分析!!

表D

!

抗倾覆验算结果

?&"5D

!

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荷载组合-

E

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-

E

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:89

!

板的结构计算

把厚板!

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#简化为置于混凝土内筒!

2[

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#上的悬挑板"如图<

所示$

图F

!

厚板计算简图"单位!

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#

23

4

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钢 塔 支 座$&

!

$<

#最 大 的 支 座 反 力K

$&@Ac

[

!=<7#;K8

"柱自重%[;!7&&K8

"合力作用点到最大负

弯矩截面的距离L[!7%="@

"

T

[B=7<=K8

"厚板最大的

负弯矩P

@Ac

[$=<7;!K8

2

@

$根据.混凝土结构设计规

范/!

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$%!%

#

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-算得配筋结果如图"

所示$

图P

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厚板配筋图"单位!

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23

4

5P

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"

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:8:

!

柱结构计算

通过' 'E

建立下部结构的模型"把/9'$%%%

计算

得到的柱顶!柱顶标高#7%;%@

#各种工况的反力作为外

荷载输入"用F9F

模块进行计算和配筋$梁和柱的配筋

结果如图=

所示$

:8;

!

节点设计

该工程为钢架结构"节点的设计尤为重要"如图!%

所示$此外"对于钢桁架腹杆"一般不得拼接"若钢管需

要拼接时"应采用等强连接"连接方式如图!!

所示$

图L

!

梁$柱配筋图"

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5L

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建 筑 钢 结 构 进 展 第!"

卷!

图.O

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钢管节点"单位!

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钢管拼接连接"单位!

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结论

本文结合潍水风帆工程实例说明了钢结构体系在工

程中的广泛应用"并且通过有限元软件/9'$%%%

建立了

合适的钢结构三维模型"研究了在不同荷载工况下其模

态以及整体动力性能"模拟得到的最大应力比满足.钢结

构设计规范/!

N2;%%!<

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$%%B

#

,

!$

-要求"现场监测得到的

最大应力比也符合规范要求$此外"利用/9'$%%%

计算

出的柱顶反力来进行下部结构设计"为钢结构在工程中

的设计与应用提供参考$

通过对不同荷载工况条件下钢结构模态周期的分

析"可知在结构设计中"应注意提高结构的抗侧力刚度和

扭转刚度"其最大应力分布在柱脚与单元片桁架的交接

处"在施工监测过程应注意柱脚节点的应力变化$此外"

对于工程的下部结构设计"主要是满足配筋条件和抗倾

覆验算两个方面"保证结构的整体稳定性$在实际工程

中"应根据工程的实际和结构的变形等要求"进行合理的

分析与设计$

参考文献!

,

!

-

!

张保"聂子云7

钢结构的抗震性能分析与设计,

`

-

7

硅谷"

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