某钢框架结构旋转连接结构方案报告

某钢框架结构旋转连接结构方案报告一、工程简介武汉思远IT培训中心，位于武汉市汉口，包括教学区，科研区和生活区三个部分。教学区、科研区的主要单体建筑为六、七层现浇钢筋混凝土框架结构，教学楼间的百米中庭连廊由15个边长30米的巨型框架按同一方向相邻旋转6度的原则连接而成，该部分采用钢结构。设计人员就其结构体系进行了仔细分析和研究，并对结构进行了有限元结构计算，对结构的力学性能和经济指标进行了核算。二、结构的选型及模型的建立为减轻地震作用对连廊之扭曲框架带来的不利影响，的本结构拟采用箱形截面钢结构框架，以方便于高空、大跨度的施工、节约工程造价和减轻结构自重，与扭曲框架相连的主体框架拟采用钢筋混凝土的常规框架，以提高作为连廊扭曲旋转框架的依托的侧移刚度。本次结构计算采用大型有限元软件ANSYS进行计算。ANSYS软件是国际知名的大型通用有限元软件，在航空、航天、汽车、机械、土木、电子等多数工业领域内有较广泛的应用。近年来，ANSYS再土木工程领域内的应用更是越来越广泛，在上海金茂大厦和国家体育场的设计中起到了突出的作用。在计算时，设计人员详细研究了各种软件的功能及优缺点，最终通过比较决定采用ANSYS软件。因为首先ANSYS有丰富的单元库，土木工程中常用的梁板壳都有成熟的单元可以选取。其次ANSYS具有节点耦合和设置刚域功能，可以模拟计算模型中一些构件之间的相互关系。ANSYS还具有单元的生死功能，通过设置单元的生死达到模拟结构施工过程的目的。最让设计人员欣赏的是，ANSYS是个开放的有限元平台，提供了APDL，UIDL等开发工具，可以让用户自己开发专业模块。图1计算模型三、计算模型及设计依据思远IT培训中心扭曲框架结构造型特殊、结构跨度巨大，钢结构自重在构件内力中所占比重很大。由于钢结构直接暴露于室外，温度变化将在结构中引起很大的内力和变形。对于这种特殊的结构体系来说，保证结构在罕遇地震作用时的安全性至关重要。因此，减少用钢量不但对节约投资、控制造价有直接的益处，同时对于减小地震与温度作用、增强结构的安全性也具有十分重大的意义。结构的主要荷载包括：恒荷载、活荷载，雪荷载、风荷载等。其中恒荷载含结构自重等等，活荷载由《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）不上人屋盖确定，雪荷载、风荷载由《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）确定，建筑物安全等级为二级，重要性系数取1.0，分项系数、组合系数按《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)选取，该地区地震设防烈度为6度，本工程框架、剪力墙的抗震等级为三级,基本风为0.35KN/M2,基本雪压为0.5KN/M2。根据相关技术规程，本结构主体框架采用1000×800×20的箱形钢结构截面，框架之间的连梁采用300×250×15的箱形钢结构截面，墙面采用压型钢板组合结构形式，初步确定截面厚度为100mm。构件之间的连接采用刚结的形式连接，本计算中选取的单元如下:1）整体模型中框架构件都采用ANSYS中beam4单元。2）压型钢板结构采用shell63单元。四、静力分析将几种荷载同时施加在结构上,得到的计算结果显示如下图2和图3，由计算结果分析可知,绝大多数构件受力较小,在50～100KN˙M之间,整个结构处于较为安全的状态，少数构件的局部出现了较大的内力,结构的最大变形位于框架的中部，最大变形为36.7mm，小于规范规定挠度值。弯矩主要分布在柱的底部以及柱和顶梁的交接处，最大值为2880KN˙M；剪力最大值位于在柱的底部以及柱和顶梁的交接处，最大值为1338KN；轴力最大值为1300KN，位于柱的底部；该结构构件所受最大主应力值为95Mpa，小于钢结构的屈服强度，证明所选截面是安全,可靠的。其中自重产生的内力占总内力的80%以上。五、结构稳定性验算根据有关规范规定，对结构进行了整体稳定和局部稳定进行了验算，均符合规范规定的要求。图2结构位移计算结果图3结构弯距计算结果在实体模型的有限元分析工作中，正确施加载荷及边界条件是取得合理结果的关键之一。理论上，这些局部构造承受的载荷是作用于对应杆件上的所有内力，所以将所对应杆件截面上的轴力、弯矩等当成载荷加到所取截面上或将该截面在整体分析中产生的变形当成约束条件施加应当是最精确的办法。在整体模型分析中，只是每个单元的两端节点上有解。ANSYS实体模型由于网格划分，每个截面往往要被分成很多份，因此面临着如何将整体模型的内力等效加在ANSYS实体模型上的问题，设计人员在实体模型截面形心处建立节点，利用ANSYS的耦合功能将截面上节点自由度与截面形心节点自由度耦合起来，再将载荷加到形心节点上。这样可以模拟平截面假设。对于实体模型的杆件截取长度，一般不会超过杆件截面尺度的3～4倍，一个总的原则是要符合圣维南原理。即简化边界不能对关心区域的结果产生显著的影响。六、地震力的计算本次计算采用反应谱的方法来计算地震作用对结构的影响,首先对结构进行模态分析,计算出结构的固有频率和振型,本计算中计算出结构的前六个振型。根据《建筑抗震设计规范》,本结构属于六级抗震设计结构,确定地震反映谱,得出计算结果为未考虑地震荷载的1.05倍左右。由此可以看出结构满足抗震要求,构件选择合理。七、经济指标的计算1.用钢量按照初步的结构布置,计算所得用钢量：主框架：1049吨框架间连梁：315吨压型钢板：161吨地梁钢筋：23吨总计：1548吨建筑面积：17×8×30＝4080M22.混凝土压型钢板组合构件：1296立方米地梁：189立方米总计:1485立方米3.玻璃选用度膜反射玻璃，面积为3888平方米八、结论经过结构计算，证明经过合理的结构布置和精心的设计，结构可以满足静力和动力的计算要求，而经济指标的计算表明，此方案是切实可行的。