穿层柱屈曲分析在结构设计中的应用论文_孔令俊

深圳市鹏瑞地产开发有限公司 518054

摘要:近年来公建项目越来越复杂,建筑由于平面功能使用或立面造型效果常常需要在首层大堂位置的低区楼板进行大开洞处理,而结构设计为满足建筑立面效果,会直接形成多层无拉结的穿层柱。由于这些柱子在楼面位置没有楼板拉结,故有可能在重力荷载作用下发生失稳。如今的超限项目中大量存在穿层柱,为了更好地评估项目的安全储备,需要对此进行专项分析和设计。本文以深圳某超高层项目为例进行分析,塔楼因大堂的高净空效果在1F-4F边跨形成2跟穿层柱,高度14.7m,高宽比12.3,分析采用MIDAS GEN进行整体屈曲分析以考察其稳定性,整体屈曲分析可以合理考虑结构的边界效应,结果更真实有效。

关键词:穿层柱;屈曲分析;MIDAS GEN;

引言:屈曲分析可在目前市面主流的多种软件上进行。从分析对象来看,可以单独对局部构件进行建模并分析,也可对整个塔楼进行屈曲方式;从分析方法来看,可以分为线弹性屈曲分析和考虑初始缺陷的非线性屈曲分析;不同的分析方法对结果的影响很大。无论采用哪种分析方法,其分析的本质是求解特征值方程,采用归一化的位移输出屈曲模态。目前工程的应用主要采用线弹性整体屈曲分析,这样既保证了分析的精度和边界条件,同时在计算上不会带来太大的时间成本。穿层柱的屈曲分析在超限项目中出现频次很高,规范要求其作为结构的关键构件应具备一定富裕度,屈曲分析的本质是模态分析,通过判定屈曲的特征值可以直接判定结构的安全储备。

一、项目简介

项目位于广东省深圳市,集城市地标性写字楼群、大型购物中心及高档公寓于一身的都市副核心体。本项目由一栋29层商业性办公楼、一栋23层商业性办公楼、一栋38层甲级办公楼、2层单独商业及三层地下室组成;地下室为停车库及设备用房,并设置战时人防防护单元。甲级办公楼结构体系采用框架核心筒结构,塔楼因大堂的高净空效果在1F-4F边跨形成2跟穿层柱,高度14.7m,高宽比12.3,由于缺少楼板的侧向支撑,故有可能导致屈曲失稳。本文采用MIDAS GEN进行整体屈曲分析以考察其稳定性。

二、穿层柱屈曲分析

(1)分析模型建立。通过设计软件接口把模型转入分析软件MIDAS GEN中,要注意的是模型转入过程当中不否能出现荷载丢失,且转出的单元类型在GEN中是有对应单元的。另外,为了更好地做模型对比,建议在模型互转时选择相同的网格划分和倒荷方式,这样可确保从设计模型那里更好地继承已有设计成果。

(2)检查荷载,模型转入后,应对模型进行简单的模态求解,对比模型的总质量和周期是否和初始软件地结果是否一致,荷载应单独对比恒荷载和活荷载,如果在模型转入时选择相同地倒荷方式,那么我们可以直接检查节点荷载,确保两个软件的总质量误差在5%以内。经过完整的查验后,确定最终的待分析模型。

(3)定义屈曲分析步,结构屈曲失稳是指在外力作用下结构的平衡状态开始丧失,稍有扰动变形便迅速增大且承载力也迅速降低,结构不适合继续使用甚至破坏。分析基于线性屈曲理论,寻找结构的屈曲模态。建立Buckling分析控制数据,为了更好的观察整体屈曲和构件局部屈曲的模态,屈曲模态数量控制在50阶,屈曲分析荷载组合为1.0DL+0.5LL,其中DL为恒荷载,LL为活荷载,荷载类型设置为变量。

(4)运行模型,为了确保模型能顺利分析,应控制模态分析工况仅有屈曲分析这一分析步,因为结构模态分析和屈曲分析均为特征值方程求解,不能同时运行,此步应格外注意,模型不能运行的很多问题出现在分析步的设置上。

三、分析结果

(1)特征值结果

屈曲分析的结果是求解特征值方程,特征值数值表示此阶屈曲模态是在现有重力荷载组合的相同倍数下发生屈曲。本项目的屈曲特征值结果详表1,可以看出第1阶屈曲模态的特征值为14.18,即结构在14.18倍自重荷载下出现第一阶屈曲模态,结构失效。

图2:第2阶屈曲模态整,整体Y向屈曲

(2)穿层柱局部屈曲

底部穿层柱的屈曲出现在26、27、28、29阶模态中,如图3所示,屈曲特征值达到30以上。在前50阶屈曲模态中并未出现底部穿层柱的局部屈曲分析,故穿层柱的设计由强度控制。

图3:第26/30阶屈曲模态

根据以上分析结果可以看出,塔楼的整体稳定性良好,整体屈曲大于局部屈曲,局部屈曲构件则由材料强度控制,屈曲荷载远大于结构荷载。穿层柱表现出良好的稳定性,在高于30倍的现有荷载情况下才会发生穿层柱屈曲。

结束语

穿层柱由于无侧向支撑以及具有很大的高宽比,所以规范要求应进行专项分析确保其在使用过程中不会发生屈曲失稳,屈曲失稳定是不同于强度失效的另外一种结构破坏形式,其破坏是瞬时且危害大,承载力会在达到临界屈曲荷载后瞬间下降引起结构失效。本文以深圳某超高层项目为例简述了屈曲分析的分析方法和操作步骤,分析选择整体屈曲分析,可以确保穿层柱正确的边界条件,分析荷载选择重力荷载代表值,分析结果显示第1阶屈曲模态是结构整体扭转屈曲,而穿层柱局部屈曲发生在高阶模态,特征值也较大,因此可以判定,在满足承载力要求的前提下,现有设计不会发生屈曲失稳。

参考文献:

[1]刘小颖. 楼板大开洞及穿层柱对结构抗震设计影响[J]. 建筑工程技术与设计, 2018(9):1035.

[2]吴敏应. 穿层柱框剪结构抗震设计探讨[J].福建建筑, 2016(1):77-81.

[3]钱若军,袁行飞,谭元莉. 结构屈曲分析理论和方法[M]. 东南大学出版社.

论文作者:孔令俊

论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期

论文发表时间:2019/6/3

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