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摘要：文章應(yīng)用有限元法對賦肢鋼管格構(gòu)柱進(jìn)行了水平抗側(cè)移分析。研究的重點(diǎn)放在腹桿布置形式對格構(gòu)柱水平抗側(cè)移能力的影響，同時(shí)分析了腹桿長細(xì)比、分肢長細(xì)比對水平抗側(cè)移能力的貢獻(xiàn)。為合理設(shè)計(jì)雙肢鋼管格構(gòu)柱提供參考。...

雙肢鋼管格構(gòu)柱水平抗側(cè)性能研究

黃套平　馬軍　夏翠英　沈乾

東南大學(xué)土木工程學(xué)院　江蘇南京210096

    格構(gòu)柱的突出力學(xué)性能優(yōu)勢使得其不僅作為承壓構(gòu)件還作為主要抗側(cè)移構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于工程中，當(dāng)承受水平荷載時(shí)，其受力狀況既不同于格構(gòu)式壓彎構(gòu)件又不同于桁架結(jié)構(gòu)。此時(shí)有必要對其抗側(cè)移性能加以研究，以找到理合的布置形式。本文借助有限元軟件對不同腹桿布置形式的雙肢鋼管格構(gòu)柱水平抗側(cè)移能力經(jīng)行分析，并分析了腹桿長細(xì)比、分肢長細(xì)比對其抗側(cè)剛度的影響。材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性，鋼管格構(gòu)柱采用彈塑性三維粱單元模擬。

1、鋼管格構(gòu)柱水平抗側(cè)剛度

    1.1腹桿布置形式的影響

    圖1為幾種工程中比較常見的綴條布置方式。圖la和圖1b所示為不帶橫綴條和帶橫綴條的單斜綴條體系，此處橫綴條理論上不承擔(dān)剪力，只是用以減少柱分肢在綴條平面內(nèi)的計(jì)算長度。圖1c和圖ld都為雙綴條體系，其一不設(shè)橫綴條，另一則設(shè)橫綴條。圖1e為交叉支撐考慮壓桿退出工作時(shí)的計(jì)算簡圖，綴條同向布置；而圖lf為混合型布置。雙肢鋼管格構(gòu)柱的平面外剛度較弱，而實(shí)際工程使用時(shí)．必須附加足夠的平面外支撐，故在以下分析中，均假設(shè)雙肢鋼管格構(gòu)柱平面外支撐足夠強(qiáng)大。柱肢均采用圓鋼管@102X5．腹桿采用中76X3，肢距1000mm，格構(gòu)柱每標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高2000mm，格構(gòu)柱高8000mm，柱腳采用固接，加載方式分無軸壓和有軸壓兩種：1)在柱頂施加水平荷載V=10kN。2)柱頂水平荷載y=10kN和豎向荷載N=20kN。

 

    從表l中可以看出e類和f類布置最不合理，其用鋼量最大而水平抗側(cè)移能力最低，且桿件應(yīng)力比較大，其中e類布置時(shí)軸壓對抗側(cè)移剛度影響較大；c類和d類布置形式的水平抗側(cè)剛度最大但用鋼量較大，不過兩分肢和腹桿的應(yīng)力比都較小。說明桿件截面還可以減少，有一定的優(yōu)化空間；a類和b類布置的用鋼量最少且腹桿和分肢的應(yīng)力比都較高，說明桿件性能充分發(fā)揮，布置較為合理。   

    現(xiàn)行“規(guī)范”(GB50017-2003)計(jì)算雙肢條柱換算長細(xì)比例，不區(qū)分條布置情況，均采用相同的表達(dá)式。而文獻(xiàn)（2）認(rèn)為3種類型雙肢格構(gòu)柱的換算長細(xì)比不同。從表l也可以看出3種布置時(shí)分肢的受力特性是不相同的。

    當(dāng)腹桿布置較多時(shí)，會(huì)使格構(gòu)柱的整體剛度有一定提高，對格構(gòu)柱水平抗側(cè)移能力有一定貢獻(xiàn)，但腹桿密集．加工質(zhì)量不易保證。當(dāng)腹桿均勻?qū)ΨQ布置時(shí)，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接處，腹桿布置較少、簡單規(guī)則，易于加工制作且格構(gòu)柱承載力有保證。

    還需指出的是圖1d所示帶橫綴條的雙斜綴條體系．當(dāng)構(gòu)件受壓而發(fā)生壓縮變形時(shí)。斜綴條兩端節(jié)點(diǎn)因有橫綴條聯(lián)系而不能發(fā)生水平位移，最后導(dǎo)致斜綴條受壓和橫綴條受拉。對這種由于柱身壓縮而產(chǎn)生的斜綴條額外受力不容忽視，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致斜綴條因受壓而失穩(wěn)。為防止此現(xiàn)象，在選用圖l d所示形式的綴條布置時(shí)，斜綴條的截面宜較計(jì)算所需略予加大。

    1.2腹桿長細(xì)比的影響

    對格構(gòu)式柱。當(dāng)繞虛軸失穩(wěn)時(shí)，因肢件之間并不是連續(xù)的板而只是每隔一定距離用綴條或綴板連系起來，柱的剪切變形較大而不能忽略。對于綴條柱．剪切變形主要由綴條的軸向變形引起，現(xiàn)行“規(guī)范”(ca 50017-2003)采用加大長細(xì)比來考慮剪切變形的影響，下面就對a、b、c、d四類布置形式分別經(jīng)行分析，通過改變腹桿截面的方式來改變腹桿長細(xì)比，以考察腹桿長細(xì)比對雙肢鋼管格構(gòu)柱的抗側(cè)剛度的影響。其中分肢截面還是采用圓鋼管中102x5．節(jié)高2000mm，柱高8000mm，而腹桿截面分別采用用以下類型：圓鋼管φ54x3、圓鋼管圓鋼管φ60x3、圓鋼管φ68x3、圓鋼管φ76x3、圓鋼管φ83x4、圓鋼管φ89x5。加載方式： V=10kN，n/=20kN。

   a類和b類曲線．c類和d類曲線近似重合，說明a類和b類及c類和d類布置時(shí)腹桿對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響接近，頂點(diǎn)水平位移都隨腹桿長細(xì)比減小而減小，且前按兩種形式布置時(shí)，結(jié)構(gòu)對腹桿長細(xì)比較敏感；在腹桿長細(xì)比為70-80段時(shí)曲線較陡，為滿足一定位移限制可以考慮在此區(qū)段進(jìn)行調(diào)整。

    1.3分肢長細(xì)比的影響

    鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定了綴條柱分肢長細(xì)比k不得超過柱子最大長細(xì)比的0.7倍。特別注意的是，格構(gòu)柱分肢長細(xì)比最好按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值選取，否則，可能會(huì)造成由于分肢失穩(wěn)先于構(gòu)件整體失穩(wěn)而破壞。那么分肢長細(xì)比對結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)剛度是否有影響，以下即展開討論。

    變化分肢長細(xì)比k有兩種方法：變化節(jié)高和改變圓管截面尺寸，本文通過變化節(jié)高來實(shí)現(xiàn)。節(jié)高分別取：2667mm、2000mm、1600mm、1333mm、1143mm、l000mm、889mm、800mm。其中分肢截面均改用圓鋼管φ89x5，腹桿截面均采用dPφ60x3，柱高8000mm，加載方式：柱頂水平荷載V=10kN和豎向荷載N=20kN。對a、b、c、d 4類布置形式分別經(jīng)行分析，得分肢長細(xì)比X廣頂部位移△曲線。

    a類和b類曲線差異較大，而c類和 d類曲線近似重合，說明此時(shí)a類和b類布置結(jié)構(gòu)特性相差較大，而c類和d類布置時(shí)結(jié)構(gòu)特性較接近。其中a類布置最特殊，頂點(diǎn)水平位移并未隨分肢的長細(xì)比的減小而減小，而是當(dāng)分肢長細(xì)比到達(dá)50之后結(jié)構(gòu)的水平位移反而增大，這意味雙肢格構(gòu)柱采用此類布置時(shí)，減小節(jié)高并不總能提高結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)剛度；而b類、c類和d類布置時(shí)，隨著分肢長細(xì)比的減小結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)剛度都有所增加．只是當(dāng)分肢長細(xì)比減小到40左右時(shí)，對提高結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)剛度的效果較不明顯，特別當(dāng)分肢長細(xì)比小于30時(shí)，反而不利。

2、結(jié)語

    分析了不同腹桿布置形式、腹桿長細(xì)比及分肢長細(xì)比對雙肢鋼管格構(gòu)柱水平抗側(cè)能力的影響。研究結(jié)果表明：

    1)反方向布置單斜綴條體系和交叉雙綴條體系的抗側(cè)移性能均比同向布置的單斜綴條體系要好。

    2)雙肢鋼管格構(gòu)柱的水平抗側(cè)剮度隨腹桿長細(xì)比減小而增大，腹桿長細(xì)比在70—80段最為明顯。

    3)減小節(jié)高對格構(gòu)柱的抗側(cè)移性能未必一直有利，無橫桿的單斜綴條體系這一特性尤為明顯．而對于有橫桿的單斜綴條體系和雙斜綴條體系，當(dāng)分肢長細(xì)比≤40時(shí)，分肢長細(xì)比的加大對結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)剛度提高很有限。

參考文獻(xiàn)

【l】GB 50017—2003銅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范【S】．中國計(jì)劃出版社，2003．

【2】鄧玉，孫熊剮，聶詩東，雙肢緞條格構(gòu)柱換算長細(xì)比的補(bǔ)【M】充業(yè)建筑，2006(增刊)．

【3】夏志斌，姚諫，銅結(jié)構(gòu)一原理與設(shè)計(jì)【M】．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004．

【4】魏明鐘，銅結(jié)構(gòu)【M】．武漢：武漢理工大學(xué)出版社．2002

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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