大跨度复杂异形钢框架结构设计与承载力性能研究

大跨度复杂异形钢框架结构设计与承载力性能研究*摘要：对某异形框架展馆工程进行了设计研究，并取展馆中较典型的1榀框架进行实体有限元分析，系统研究了该异形框架设计荷载下的受力性能和极限荷载下的破坏机理、极限承载能力等。针对受力性能薄弱的节点部位，提出了翼缘加宽型和盖板加厚型两种加强型构造措施。研究表明：结构设计时，通过在梁端加宽翼缘或加设盖板来对梁端给予加强，可明显增加框架强度，改变框架受力性能，提高极限承载能力。此外，在设计荷载作用下框架基本处于弹性受力状态，极限荷载作用下框架可表现出足够随着现代建筑科技的发展，建筑设计理念的日新月异以及大量多高层建筑结构的建设，人们对建筑审美的要求也在不断提高。单一的工程形式、传统的建筑结构，已经不能满足人们对建筑审美的需求，越来越多的复杂建筑造型被设计师们所青睐，这使得建筑平面趋于复杂，竖向体型趋于多变，许多异形建筑不断出现[1-2]。在这类异形建筑中，钢结构由于其自身的优点及设计施工方法的日益成熟，得到了广泛的应用[3-4]。有规范的常规设计方法[5-7]，同时此类异形结构的承载能力、受力性能不能根据经验进行预测。因此，需要对这类建筑结构进行必要的研究，既安全又经济。虽然，目前对异形钢结构已有一定的理论和试验研究[8-11]，但并未形成系统的理论体系，为了解异形钢框架体系的受力性能、传力机制、破坏机理等性能，必须对其进行深入研究，得出其设计方法。本文以某异形钢框架的展馆工程为例，进行异形钢框架元分析。异形框架含有弯曲梁、柱，具有构件不规则、形状突变、受力状态复杂等特点。取较典型的单榀异形框架进行实体有限元分析，针对异形钢框架的受力性能和破坏机理，以及面外约束对框架极限承载力的影响进行分析，并对容易产生塑性铰的节点提出两种加强措施，针对加强措施中的设计参数，提出合理取值，为工程设计提供依据。图1为展馆工程效果图，展馆总占地长255m，宽60m，高18m，占地面积25214m2，结构共4层，含1层夹层。该结构主体部分采用异形全钢框架结构，设计安全等级二级，设计使用年限50年。该展馆需要大跨度空间来满足其功能要求，为表达其优美的造型，建筑多处采用曲线设非常复杂，对结构设计提出了很高的要求。2结构设计该结构为细长结构，外观模仿发动机外形。如图1所示，垂直长度方向许多截面相似，可以布置成相同的框架，形成横向框架，沿长度方向每榀主框架间距15m，在每榀主框架之间布置主框架钢梁，与主框架柱子刚性连接，形成纵向框架；另外，在每榀横向框架之间布置联系梁作为楼面结构和屋面结构的主梁；再沿垂直结构长度方向布置4道次梁，与纵向框架梁和主梁相连，次梁间距约3m。楼板采用压型钢板混凝土楼板，沿整个结构纵向布置，结构整体布置如图2所示，图3给出了2榀横向主框架图2整体结构布置图32榀主框架之间结构布置图4桁架结构布置m的大跨度框架，实腹H型钢梁难以满足受力要求。如图4所示，在纵、度为35m，高度为17m。由图5可见，拱右边落地与基础相连，左边不落地与竖直的矩形柱子侧边斜交，使竖直矩形柱子承受巨大的剪力。由于拱的大空间使拱左侧建筑的斜柱子无法落地，与拱相连。图5展厅结构布置一般设计软件难以满足要求。本文采用SAP2000有限元