柔性大门门架柱结构设计及有限元分析_孟吉祥.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315019柔性大门门架柱结构设计及有限元分析收稿日期:2023 02 09作者简介:孟吉祥(1988 )，男，硕士，工程师，一级注册结构工程师，从事结构设计工作孟吉祥(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)摘要:柔性大门钢筋混凝土箱形门架柱的计算通常是将上部钢桁架门梁的质量及荷载等效后作用于柱顶的方式进行，然而这样的简化计算需要手动复核，且不能真实反映混合结构的实际受力状况。通过建立整体大门门架的结构力学模型，结合相关规范对门架柱的变形和截面进行了验算，并给出了门架柱纵向钢筋的计算面积。该计算面积与有限元分析模型按应力计算的配筋面积大致相符，为涂装工场及大跨度车间柔性大门门架柱的结构设计提供了参考。关键词:门架柱;结构力学模型;变形;截面验算;有限元分析中图分类号:TU375 3文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0075 040引言柔性升降大门是一种宽体软帘升降上叠式自动门，主要使用于船舶制造业涂装工场以及大跨度车间以代替沉重的钢大门。其结构由门架、门结构和起升机构组成1。门架作为门结构和起升机构的支承构件，其门柱常采用钢筋混凝土箱形柱，门梁采用水平及竖向钢桁架组成的空间桁架结构。现阶段对大门门架柱的计算通常是将上部空间钢桁架结构的质量及荷载进行等效后作用于下部结构。由该部分质量及荷载计算的效应值通过效应的荷载组合得到门柱的内力设计值。但目前采用该种计算方式只能通过设计师手动复核，计算工作量大，较容易出错，且质量与荷载的等效也不能准确反映上部空间钢桁架对门柱的影响。因此，建立一个准确的模型对设计门架柱的截面及配筋是有必要的。本文以涂装间柔性升降大门门架为研究对象，利用3D3S 钢结构空间结构设计软件及 midas 有限元分析软件，分别建立结构力学模型和有限元分析模型，通过结构力学模型得到门架柱的变形和内力，并进行截面验算和配筋计算。通过有限元分析模型验证箱形柱的配筋，并根据应力分布进行局部加强。1项目概况本文采用某涂装车间的柔性大门门架作为计算案例，该案例位于山东省青岛市西海岸新区。大门门架高190 m，门架宽 28 0 m，门洞净高 160 m，净宽 26 m。本工程 50 年一遇的基本风压为 0 6 kN/m2，地面粗糙度为 A 类，抗震设防烈度 7 度(0 10g)2，设计地震分组第三组，建筑场地类别为类，场地特征周期 Tg=045 s，抗震设防类别为乙类。2建立计算模型从结构形式上，涂装间柔性大门门架为单榀单跨的混合框架结构，其中门架柱考虑采用混凝土箱形柱，截面宽 0 8 m，高 25 m，长边壁厚 02 m，短边壁厚 0 4 m，门梁为空间钢桁架结构。门架柱采用预埋件与空间桁架门梁的上下弦杆连接，上弦采用十字板支座与门柱顶预埋的螺栓进行连接(见图 1)，下弦利用门架柱侧面的预埋件焊接钢牛腿后螺栓连接。十字板支座门架柱门梁上弦门架柱十字板支座图 1空间桁架门梁上弦与门柱连接详图（a）正视图（b）俯视图由于结构力学模型中的门梁是由空间桁架组成的立体结构，而门柱是一个独立的构件单元，为了将门梁弦杆的力传递给一个竖向的线单元，得到门柱的计算内力，计算模型分别将门梁上、下弦杆端节点与门柱在相同标高的节点进行了位移绑定，以此模拟空间桁架门梁与门柱的连接。柔性大门门架结构力学计算模型如图 2 所示。此外，为得到门架柱各截面位置更准确的受力状态，验证结构力学模型的计算结果，本文还建立了柔性大门门架的有限元分析模型。3门架柱设计31变形验算JGJ 1382016 组合结构设计规范规 定了在 风荷载或多遇地震标准值作用下3，以弹性方法计算的最大水平层间位移角应符合 GB 500112010 建筑抗震设计规范及 JGJ 32010 高层建筑混凝土结57第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023图 2柔性大门门架结构力学计算模型示意图构技术规程的规定4。本文参考以上规范对框架结构水平层间位移角的要求，选取 1/550 作为大门门架在风荷载和多遇地震标准值作用下弹性层间位移角的限值。表 1 是多遇地震作用和风荷载标准值作用下门架柱柱顶的位移及相应的层间位移角。由表 1 可知，按设计的截面尺寸，门架柱在地震作用和风荷载作用下的变形满足规定的要求。表 1门架柱柱顶的位移及相应的层间位移角参数大门跨度方向柱顶位移/mm 层间位移角垂直大门跨度方向柱顶位移/mm 层间位移角多遇地震作用标准值8 1961/2 4163 3161/5 971风荷载标准值5 1741/3 82714 151/1 39932截面验算通过对结构力学模型的计算，可得到门架柱各最大内力的效应组合及该组合下的轴力、剪力和弯矩设计值，结果如表 2 所示。表 2门架柱最大内力的效应组合及该组合下的轴力、剪力和弯矩设计值最大内力/(位置)效应组合N/kNVx/kNVy/kNMx/(kNm)My/(kNm)Nmax(门柱底)1 3 恒+0 65 活+1 4 地震1 206 8102 20 22 9818 1Vxmax(下弦标高)1 3 恒+0 65 活+1 4 地震468 5102 20 20 2974 8Vymax(门柱底)1 0 恒+1 5 风849 233 0219 74 301 1201 2Mxmax(门柱底)1 0 恒+1 5 风849 233 0219 74 301 1201 2Mymax(下弦标高)1 3 恒+0 65 活+1 4 地震468 5102 20 20 2974 8注:Vx指沿门架柱短向;Vy指沿门架柱长向;Mx指绕门架柱短向;My指绕门架柱长向。根据 GB 500102010 混凝土结构设计规范(以下简称混凝土规范)5，门架柱的轴压比 =N/fcA=0 064，远小于规范的轴压比限值，箱形截面轴压计算满足要求。其中 N 为地震作用组合的最大轴向压力设计值;A 为箱形门架柱的截面面积，混凝土抗压强度设计值 fc=143 N/mm2。对于箱形截面偏心受压构件受剪截面的验算，混凝土规范并未给出相关规定。本文参考形截面偏心受压构件受剪截面的计算公式及箱形剪扭构件对受剪截面宽度的定义，采用式(1)，式(2)对门架柱进行受剪截面的验算:V0 244cfcbh0(1)V1E(02cfcbh0)(2)其中，式(1)，式(2)分别适用于非地震/地震作用组合的情况，式(1)中 0 244 为受剪截面系数，由截面高宽比 hw/b 经线性插值后得出;hw为箱形柱腹板净高;b 为箱形柱的腹板宽度，取 2 倍的箱形柱壁厚。式(2)中，因计算剪跨比 =M/(Vh0)2，故受剪截面系数取 0 2，c为混凝土强度影响系数，取 1 0。此外，h0为截面有效高度，取受拉钢筋合力点至受压边的距离，承载力抗震调整系数 E取 0 85。表 3 是门架柱截面分别在 x 向和 y 向的最大受剪承载力及相应的剪力设计值，由表 3 数值可知，本工程设计的门架柱截面可承受的剪力最大值均远大于其剪力设计值，截面尺寸满足要求。表 3门架柱截面的最大受剪承载力及相应的剪力设计值方向截面最大受剪承载力/kN剪力设计值/kN门架柱短边方向(x 向)3 210 0102 2门架柱长边方向(y 向)1 884 2219 733门架柱配筋设计在截面满足要求后，根据表2 所列门架柱各最大内力效应组合下的轴力、剪力和弯矩设计值，参考混凝土结构设计规范并将箱形截面等效为惯性距和截面面积均相等的工字形截面6 7，可得到门架柱短边与长边纵向受力筋的最大面积，其中短边 4 60345 mm2，长边 2 93991 mm2。通过对斜截面受剪承载力的计算，可知门架柱截面不需设置计算箍筋，但需满足抗震等级二级的最小配箍率要求 0 6%。4门架柱有限元分析及设计由于箱形门架柱截面较大，且空间桁架门梁弦杆与门架柱的连接位置相对于门架柱本身存在较大偏心，因此，在各种组合内力的作用下，箱形门架柱的横截面在变形后不再为平面，不满足混凝土规范以平截面假定为前提的简化计算方式。本工程通过 midas 有限元分析软件建立模型，采用三维平面单元对门架柱进行了应力配筋分析8。图 3 是在 Mxmax的效应组合(10 恒+15 风)和 Mymax的效应组合(1 3 恒+0 65 活+1 4 地震)作用下，门架柱沿高度方向(z 向)的应力分布图。由图 3 可见，在Mxmax的效应组合作用下，门架柱的最大拉应力位于箱形柱柱底的短边外侧;在 Mymax的效应组合作用下，门架柱67第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑的最大拉应力位于门梁下弦标高处的箱形柱长边外侧，两者最大拉应力位置均与结构力学模型计算的最大弯矩位置相符。图 3门架柱沿高度方向（z 向）的应力分布图单位：N/mm23.607 01e+002.682 02e+001.757 02e+008.320 32e-010.000 00e+00-1.017 95e+00-1.942 95e+00-2.867 94e+00-3.792 93e+00-4.717 92e+00-5.642 91e+00-6.567 91e+00系数=6.474 0E+01midas GenPOST-PROCESSORPLN STS/PLT STRSSIG-ZZ 两端6.551 52e+005.204 81e+003.858 10e+002.511 40e+001.164 69e+000.000 00e+00-1.528 72e+00-2.875 43e+00-4.222 13e+00-5.568 84e+00-6.915 55e+00-8.262 25e+00系数=3.538 3E+01midas GenPOST-PROCESSORPLN STS/PLT STRSSIG-ZZ 两端（a）Mymax的效应组合（1.3 恒+0.65 活+1.4 地震）（b）Mxmax的效应组合（1.0 恒+1.5 风）为得到门架柱在柱高范围内的最大应力计算配筋值，本工程选取短边拉应力最大的柱底截面和长边拉应力最大的门梁下弦标高截面进行计算，其中截面的受拉短边被划分为 3 个单元，截面的受拉长边被划分为 10 个单元，每个单元可读取外侧和内侧两个 z 向拉应力，如表 4 所示。假定每个单元的拉应力完全由钢筋承担，取单元外侧或内侧的 z 向拉应力乘以其代表面积得到计算内力，由该计算内力除以钢筋强度设计值即可得到该单元内、外侧的计算纵筋面积，如式(3)所示:Asn=Enhnbfy或 Asw=Ewhwbfy(3)其中，hw，hn分别为柱壁单元内、外侧拉应力(n，w)所代表的厚度，此处取一半的箱形柱壁厚;b 为单元宽度。表 4门架柱短边和长边在最大拉应力截面的单元 z 向拉应力N/mm2荷载组合Mxmax(1 0 恒+1 5 风)Mymax(1 3 恒+0 65 活+1 4 地震)位置外侧(短边)内侧(短边)外侧(长边)内侧(长边)单元 15 542 843 601 18单元 25 803 053 020 87单元 36 553 852 690 64单元 42 500 54单元 52 410 48单元 62 410 48单元 72 510 54单元 82 690 64单元 93 030 87单元 103 611 18注:外侧指箱形柱单侧壁的外表面，内侧指箱形柱单侧壁的内表面。通过式(3)的计算，可得到门架柱短边和长边的最大应力计算配筋面积，详见表 5。由表 5 可知，门架柱短边内、外侧共需布置钢筋 4 1133 mm2，长边内、外侧共需布置钢筋 2 118 5 mm2，该结果与采用结构力学模型并参考混凝土结构设计规范计算得到的配筋面积基本相符。此外，通过比较表 4 各单元之间的应力大小和表 5 箱形门架柱内、外侧的应力计算配筋面积可知，门架柱应重点加密(或加粗)角部和箱形柱外侧的纵向钢筋，而在拉应力较小的位置如箱形柱长边中部和箱形柱内壁，配筋则