复杂形态钢结构设计培训班

首页 CCDI高成结构-公众号 专题分析 | 外框柱及重力荷载下楼面梁受拉分析

专题分析 | 外框柱及重力荷载下楼面梁受拉分析

外框柱受拉分析

继续以上篇文章的项目为例(点击蓝字可查看)。本项目中外框柱采用方钢管混凝土柱,当柱的拉力太大,钢管混凝土的刚度就会退化较大,混凝土与钢管的共同作用就会被削弱。下表给出弹性阶段各层柱的轴力以及中震组合(1.D L +0.5L L+1.0E)下的轴力,然后按钢管混凝土的刚度分配计算得到最大值时的混凝土应力。

最大轴力沿楼层分布(压为负,拉为正)

根据上表可知:弹性阶段上部楼层受拉,混凝土的最大拉应力为0.65MPa,小于混凝土的抗拉强度设计值2.14MPa;中震作用下上部楼层受拉,混凝土的最大拉应力为1.91Pa,小于混凝土的抗拉强度标准值2.99MPa,因此,上部楼层存在拉力,但是刚度不会发生退化。

从表中可知:弹性阶段时27~31 层的柱存在拉力,其中30~31 层的混凝土拉应力超过了抗拉强度设计值2.14MPa,此时混凝土退出工作,所有拉力由钢管承担,钢管的最大拉应力为59MPa,小于钢材的抗拉强度设计值335MPa;中震作用下17~31 层的柱存在拉力,其中27~31层混凝土拉应力超过了抗拉强度标准值2.99 MPa,此时混凝土退出工作,所有拉力由钢管承担,钢管的最大拉应力为88MPa,小于钢材的抗拉强度标准值390MPa。

由于中震作用下27~31 层混凝土退出工作,这几层的钢管混凝土柱采用不考虑混凝土的钢柱替代,然后验算主要整体指标。

(1)模态

从上表可知周期比满足要求,周期变化不大。

(2)位移角曲线

从上图可知:风荷载作用下,Y 向位移角远小于限值要求;X 向位移角最小值为1/495,不满足规范要求的限值;地震作用下,位移角曲线远小于限值曲线,满足规范要求。

由于风荷载下位移角小于规范限值,调整27~31 层的钢管壁厚调整为50 mm厚,位移角曲线如下图所示。

从上图可知:风荷载作用下,Y 向位移角远小于限值要求;X 向位移角最小值为1/511,满足规范要求的限值;地震作用下,位移角曲线远小于限值曲线,满足规范要求。

因此,施工图阶段把27~31 层的钢管混凝土柱截面尺寸调整为800×800×50×50。

在31~32 层以及44 层伸臂层的外框柱周边增加一圈带状桁架,计算出弹性阶段各层柱的轴力以及中震组合(1.D L +0.5L L+1.0E)下的轴力,然后按钢管混凝土的刚度分配计算得到最大值时的混凝土应力,具体数值见下表。

最大轴力沿楼层分布(压为负,拉为正)

重力荷载下楼面梁受拉分析

本工程建筑外立面采用由若干单元组成钻石形幕墙,结构外框架采用斜交菱形网格,能达到建筑与结构的和谐统一。外框架能够承担部分重力及水平力,斜交网格的外框具有较好的抗侧刚度和延性,但是斜交网格的竖向刚度较差且节点受力以及施工复杂,因此,需要深入研究斜交网格节点的受力性能,实现斜交外框架结构的安全经济合理,达到建筑效果,是整个项目的关键。

平面框架研究

本工程中斜交网格框架柱的倾斜角度为87.66°(与水平轴角度,下同),接近90°直柱。为了研究倾框架柱倾斜角度对结构侧向刚度影响,通过对四个不同的平面模型进行分析,如下图所示,图中红色圆点为监测点。

模型一为普通框架直柱模型;模型二和模型三为本工程的框架模型,倾斜角度为87.66°;模型四中的框架柱倾斜角度为85.05°。四个模型同层柱截面面积之和相等,框架梁截面相同的,总结构高度和层高与实际项目一致,每层施加1000kN 水平荷载,在顶部四个柱顶施加10000kN 竖向荷载。

模型图

通过ETABS 进行分析,计算得到顶部红色圆点处的位移,如图所示。从图示结果可知:模型一水平位移为30.89m,竖向位移为0.34m;模型四水平位移为8.32m,竖向位移为0.64m;模型二和模型三位移居中,且两者的刚度比较接近。
以上结果表明:斜柱侧向刚度比直柱侧向刚度大;斜柱竖向刚度比直柱竖向刚度小;倾斜角度越小侧向刚度越大而竖向刚度越小。

监测点位移图(单位:m)

监测点位移

楼面梁受拉研究

该项目中外框为交叉斜柱,而且是面外也是倾斜的。在重力荷载作用下,外框柱轴力会产生水平分力,对楼面梁产生较大的拉力。为了研究外框柱在中部楼层相交处以及相交上下两层楼面梁在重力荷载作用下的拉力分布规律,分别研究以下两个模型:

模型一:楼板刚度不退化;

模型二:楼板刚度退化50%;

通过对以上两个模型分析计算,计算结果见下表:

模型一最大轴力沿楼层分布(kN, 受压为负,受拉为正)

模型一X 向外框梁最大轴力沿楼层分布图

模型一Y 向外框梁最大轴力沿楼层分布图

模型一楼面梁最大轴力沿楼层分布图

模型二最大轴力沿楼层分布(kN, 受压为负,受拉为正)

模型二X 向外框梁最大轴力沿楼层分布图

模型二Y 向外框梁最大轴力沿楼层分布图

模型二楼面梁最大轴力沿楼层分布图

该项目中普通楼面梁截面为H500×200×10×16,材料为Q345B,截面面积为11080mm2,能承受最大的轴力3268.6kN;最小外框梁截面为H800×300×13×40,材料为Q345B,截面面积为33360mm2,能承受最大的轴力8840.4kN;三十层、最顶层外框梁截面为H1000×300×13×50,材料为Q345B,截面面积为41700mm2,能承受最大的轴力11050.5kN。

模型一中X 向外框梁从下到上的梁拉力呈递减的趋势,最大拉力为186kN,由轴力产生的应力比不到0.1;Y 向外框梁的拉力在三十层最大,拉力为601kN,由轴力产生的应力比不到0.1,其他楼层由下往上呈递减趋势,由轴力产生的应力比不到0.1。整个外框梁主要受拉,轴向压力较小,在三十层及顶层的轴向压力较大,最大的压力为159kN,这两层的截面的承载力也较大,由轴力产生的应力比不到0.1。

楼面梁主要受压,最大压力170kN,由压力产生的应力比基本上都小于0.1,在三十层时楼面梁受拉,最大拉力为343kN,由拉力产生的应力比小于0.18。模型二的规律与模型一基本一致。

综上所述:外框梁在相交处的内力最大,因此需在顶部、底部及三十层附近几层的外框梁需要加强,其他楼层的由重力产生生的应力比都较小,不需特别加强;楼面梁在三十层处需要加强,其他楼层的楼面梁由重力产生生的应力比都较小,不需特别加强。

施工图阶段时,外框梁及与柱相连的楼面梁需要按拉弯及压弯构件设计。

下面给出模型一的楼板应力分布图。

上面给出了模型一的楼板应力云图。结合上面Y 向外框梁的内力分布以及根据30 层Y 向应力图可以看出,三十层楼板与Y 向外框梁交界处产生了沿Y 向的应力分布,而其他楼层的楼板只在与柱交界处附件产生了拉应力。

结合上面X 向外框梁的内力分布以及根据10 层X 向应力图可以看出,10 层楼板与X 向外框梁交界处产生了沿X 向的应力分布,而其他楼层的楼板只在与柱交界处附件产生了拉应力。

因为根据中震楼板应力的分析结果把加强层及其上一层楼板厚度调整为180mm,所以在重力荷载作用下30层处楼板应力不大,不需要特别再加强。

点击了解投稿规则

扫一扫

进结构工程师群

如人数超过可添加小编微信:z244247506

往期精选

关于基层设计师的一个采访

佛山企业家大厦超限结构设计(上)

高成结构的2018

潭州国际会展中心超限分析

2018年会之高成图鉴

前海法治大厦上部结构设计综述

结构抗风基本认识

胜在”骨骼“清奇 | 百度国际大厦为什么又双叒叕获奖了?

谈谈大跨空间结构的设计

某办公楼核心筒方案选型

本文来自网络,不代表钢构人的立场,转载请注明出处。搜索工程类文章,就用钢构人网站。 https://www.ganggouren.com/2019/04/9c9d75195d/
上一篇
下一篇

作者: ganggouren

为您推荐

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

联系我们

联系我们

17717621528

在线咨询: QQ交谈

邮箱: 1356745727@qq.com

工作时间:周一至周五,9:00-17:30,节假日休息
关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

关注微博
返回顶部