基于sap2000的异形钢管柱实用设计方法

基于sap2000的异形钢管柱实用设计方法

0异形钢管柱的设计钢结构柱的通常形状包括h钢、箱形、圆形截面等。然而，随着建筑设计的发展，对异形钢管柱的截面形状的需求越来越大。例如，当建筑设计要求柱的截面形状必须基于建筑物的折叠角进行设计时，异形钢管柱已成为更好的选择。如图1所示为苏州安邦超高层主塔楼71层建筑平面图，核心筒角部需要根据建筑需求布置结构钢柱，为此需要将钢柱截面形式设计为异形钢管柱。目前，常规的结构设计软件，如YJK、PKPM均可满足常规钢柱的结构设计，对于异形钢管柱的设计则无从下手，因此有必要对异形钢管柱的实用设计方法进行研究，以满足工程设计人员的需要，既要保证设计的安全可靠，又要方便实用。笔者通过查阅相关论文资料、规范规定、各款软件，提出了一种基于SAP2000的异形钢管柱实用设计方法。1混合式钢管截面的设计使用SAP自带的截面设计器定义异形柱截面。具体步骤及相关注意事项如下(1）在截面设计器中任意定义一异形截面。(2）在CAD中画出异形截面，将异形截面打断为线段，将线段图层用英文命名（图层名称不能为0图层或汉字），另存为dxf，通过SAP导入dxf，将dxf中的线段转化为SAP中的框架构件，然后选择SAP中的结点，Ctrl+V到Excel中得到点坐标，重复操作，得到异形截面各点坐标。需要注意，由于截面设计器中的截面必须为单连通，所以对于钢管截面，需人为开一个小缺口，最后补上即可。(3）使用―SAP-编辑-交互式数据库编辑‖，通过导入导出EXCEL表格，将第（2）步获得的异形截面各点坐标输入到EXCEL中。(4）返回截面设计器，补上缺口，形成一个完整异形钢管截面。截面设计器可自动计算出异形截面的形心以及截面几何属性，截面模量取距离形心较远点的数值，经复核，其计算是正确的。因为该工程异形钢管柱失稳是绕着弱轴呈现弯曲/弯扭失稳，而SAP是按截面局部坐标系进行设计验算的，因此可以考虑在截面设计器中将异形截面转个角度，使x轴为弱轴，y轴为强轴。图2为SAP截面设计器所建的异形钢管柱截面。为便于说明，将图1中71层平面作为标准层建模，标准层层高4.35m，组装15层，楼层平均重量约为1.3t/m2结构分析2.1标准规定结构内力分析依据《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99—2015)2.2异形钢管柱的计算长度一阶线弹性分析的关键问题在于异形钢管柱计算长度的确定。有侧移框架可以按照《高钢规》式7.3.2-4进行计算（软件自动计算），无侧移框架可以按照《高钢规》式7.3.2-11进行计算（SAP2000V17版本使用的是老规范计算公式，SAP2000V19可能使用了新规范）。或者采用线性屈曲分析的方法确定异形钢管柱的计算长度，为便于读者理解，以本文所建15层模型进行简单说明。如图4所示，恒荷载和活荷载标准值作用下，异形钢管柱的屈曲发生在第9阶，而第9阶为结构整体Y向屈曲，异形钢管柱的局部屈曲发生在整体屈曲之后。以底层某异形钢管柱为例，其恒+活下轴力值为7905kN，屈曲临界系数为36，可以反算出底层该柱的计算长度系数为3.2。将此计算长度系数输入到SAP中，SAP可根据输入的计算长度系数计算构件稳定。2.3荷载组合的生成和水平力的添加使用SAP2000进行异形钢管柱结构二阶分析时，具体步骤及注意事项如下：(1）点击―定义荷载组合-转换组合为非线性工况‖（图5），则可将软件自动生成的所有荷载组合转化为非线性工况的荷载组合，并且荷载工况中会自动生成相应非线性工况（图6）。(2）手动将所有非线性工况的―P-Δ和大位移‖开关打开（图7）。(3）在每层楼盖处加上假想水平力，假想水平力的取值按《高钢规》式7.3.2-2，该值为设计值，在SAP中单独建一假想水平力的荷载模式和荷载工况，在所有非线性组合中添加此假想水平力工况。(4）设计组合中会自动添加非线性工况组合（图8），进行后续设计计算。3组件的承载能力3.1口压弯稳定计算公式对于异形钢管柱，SAP2000强度计算按照《钢结构设计标准》（GB50017—2017)但是，规范中的稳定公式、稳定系数适用于普通H型、圆形、箱型等截面，规范中并未有闭口异形钢管柱的压弯稳定计算公式。因此，闭口异形钢管柱的强度及稳定计算，必须对规范计算结果进行修正或采用数值仿真的方式进行计算，具体可通过以下两种方法实现：(1）参考浙江工业大学硕士学位论文《L形闭口截面压弯构件整体稳定性研究》(2）可以采用ANSYS数值仿真的方法，在ANSYS建单根钢柱模型，将SAP二阶分析的内力输入到ANSYS中，考虑初始弯曲、残余应力、几何非线性、材料非线性，计算单根柱的侧移、应力，判断钢柱强度、稳定性是否满足要求。3.2阿斯斯值的模拟3.2.1端部形心主节点添加采用SHELL181单元，取一层层高，两端铰接，为模拟端部铰接，在端部形心处建立一个节点，定义为具有节点耦合作用的mass21单元，成为端部形心主节点，使用cerig命令将端部其余节点指定为形心处主节点的从节点。约束端部所有节点的水平位移UX、UY为0，约束一端形心处主节点竖向位移UZ为0，在两端端部形心处主节点施加集中力FZ和弯矩MX、MY。从图9各节点的水平变形云图中可以看出，两端铰接实现了。3.2.2管内加劲肋间距如果不采取构造措施，则异形钢管柱壁板会先发生局部失稳，因此必须采取构造措施，保证局部失稳发生在整体失稳之后。如果异形钢管内加劲肋的间距足够密、面内刚度足够刚，可以作为刚性隔板，则不发生局部稳定，第一阶屈曲模态为绕钢管截面厚度方向的弯曲失稳，如图10所示。从图11中可以看出，第1阶、第2阶、第4阶屈曲模态均为绕钢管截面厚度方向的弯曲屈曲，第3阶屈曲模态为绕构件纵轴的扭转屈曲。3.2.3初始弯曲情况检查根据规范要求，计算钢柱的整体稳定，需施加1/1000初始弯曲和残余应力。在ANSYS中，初始弯曲的形状采用第一阶屈曲模态，构件最大弯曲值取杆长的1/1000。可以通过nlist命令对比添加初始弯曲前后的结点坐标来检查是否正成功添加了初始弯曲。经检查，初始弯曲已成功按照第一阶屈曲模态施加。箱型截面残余应力参照陈绍蕃《钢结构设计原理》P103图6.12，偏安全地按大焊缝、大高厚比选用，角点处取拉应力f可以通过检查施加残余应力后节点应力，来判断残余应力是否施加成功。由图13中可以看出，钢管角点处纵向节点应力受拉屈服，腹板中部受压，因此可以判断残余应力已成功施加。3.2.4材料非线性开关的应用在施加了初始缺陷和残余应力的基础上，施加轴力40000kN、双向弯矩5000kN·m（构件包络内力），打开几何非线性、材料非线性开关，进行计算分析，计算结果显示钢柱侧向位移很小，未发生整体失稳，且钢柱仍处于弹性阶段，如图14～17所示，因此，在该荷载作用下钢柱的强度、整体稳定满足要求。为进一步研究，继续加大荷载，施加轴力40000kN、双向弯矩10000kN·m，侧向位移有所加大，柱子仍未出现整体失稳，但已有部分区域屈服，说明该荷载作用下仍然由强度起控制作用，如图18～21所示。4混合式结构分析的计算方法本文结合工程实例对异形钢管柱的实用设计方法进行了探索，提出了基于SAP2000的异形钢管柱实用设计方法，主要结论如下：(1）异形钢管截面可以通过SAP截面设计器建模得到，因为截面失稳是绕着弱轴呈现弯曲/弯扭失稳，而SAP按截面局部坐标系进行设计验算，因此可以考虑在截面设计器中将异形截面转个角度，使X轴为弱轴，Y轴为强轴。(2）对于整体结构分析，提出了一阶线弹性分析方法与二阶分析方法，其中由于一阶分析未考虑几何非线性且钢柱计算长度的计算具有近似性（钢柱计算长度的确定采用屈曲分析），因