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21斜柱支撐設計 -2016.6

發布時間:2016-06-27


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斜柱支撐設計

這里所說的斜柱支撐指的是在建模中按斜桿輸入的桿件(簡稱斜桿)。支撐在實際工程中應用廣泛,如斜柱、鋼結構中的柱間支撐、屋面支撐,轉換層結構中的桁架斜桿,雨棚上面的拉桿、桁架結構、空間結構的上下弦桿和腹桿等。

一、斜柱支撐的建模

C:\Users\CHENDA~1\AppData\Local\Temp\SNAGHTML1fada93.PNG

3.4.1 支撐布置

斜柱支撐的布置參數有參照的節點、豎向的高度、偏移值、偏心值,如圖3.4.1所示。

1、只依賴節點不依賴網格

柱的定位是在節點上,斜柱的定位是在一個節點或者兩個節點上,如果布置在一個節點上,斜柱的另一端就需要輸入偏移值才能成為斜柱。

梁構件、墻構件、墻上洞口都是需要一段網格才能布置,而支撐構件不需要網格。

對支撐的兩端再輸入相對于本標準層的豎向高度,就可把桿件完全定位。

如果布置時兩端選擇同一個節點,則支撐為垂直的;如果支撐兩端標高值相同,則支撐為水平的。

2、節點偏移和偏心

斜柱的定位既可以使用一個節點也可以使用兩個節點。如果布置在一個節點上,斜柱的另一端就需要輸入偏移值才能成為斜柱。

使用兩個節點布置一根斜桿,有時會造成本層平面上的節點過多,多余的節點有時造成設計上的麻煩,如多余的節點打斷梁墻桿件會造成過多的短梁短墻。如3.4.2斜墻內布置了3根斜的型鋼柱,每根斜柱如果采用兩個節點定位,將在斜墻內生成6個節點,包含6個節點的該斜墻的網格劃分非常困難,以至于很難計算通過。改為對每根斜柱布置在1個節點上,另一端輸入偏移值,斜墻的單元劃分質量很好并可順利計算,計算模型如圖3.4.3所示。

C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\SNAGHTML2481e64.PNG

3.4.2 支撐偏移

3.4.3 計算模型

Etabs、Midas等其他結構計算軟件轉換數據到YJK時,對斜桿都是按照一個節點的定位加另一端偏移的方式記錄的。

斜桿的偏心指的是在垂直于斜桿軸線的兩個互相垂直方向的偏心,這兩個互相垂直方向指的是局部坐標系的方向。

斜桿的偏移值兩端一般是不同的,而斜桿的偏心兩端是相同的。

3、斜桿越層輸可自動打斷

斜桿布置時還有一個重要的選項:跨層時自動打斷。當輸入的斜桿跨越一個或者數個樓層時,選此項可將該斜桿(斜柱)在各層層高處自動打斷,打斷后的斜桿分配到相應的標準層,在該層生成該斜桿布置必須的節點,或與該層其它桿件自動交接。

這種方式特別方便連續數層的斜柱的輸入。斜柱跨越數層時困難的是確定每層斜柱節點的坐標位置,逐層分段輸入跨層斜柱時需要用戶手工計算出每層斜柱上下兩個節點的坐標,一旦計算不準將造成上下層斜柱不能正確連接。在使用跨層輸入并自動打斷方式下,用戶可在組裝好的多層模型上輸入跨層斜柱,并事先只在起始層和終止層確定斜柱的節點。該斜桿輸入后斜柱跨越的各層自動生成了斜柱在該層的節點,隨后用戶可用該節點和其它層構件相連,這樣的輸入方式既方便又準確。

用戶對跨層斜柱的輸入應在組裝好的多層模型上操作。

對于小于或等于一個層高的斜桿,這選項不起作用。

4、越層斜桿輸入時可自動生成新的結構標準層

布置越層支撐時,由于斜撐在各層的分布不同,則越層支撐跨越的各層必然應是不同的標準層。如果越層支撐跨越的模型各層屬于同一個標準層,軟件可自動增加新的標準層,以適應被樓層打斷的斜撐的布置。在斜桿布置對話框中,當勾選參數跨層時自動打斷時,對參數自動增加標準層打鉤,如圖3.4.4所示。

3.4.4 支撐布置效果圖

3.4.5所示項目,越層支撐輸入前有3個結構標準層,樓層組裝表如下。輸入跨越7層的越層支撐時勾選跨層時自動打斷自動增加標準層,則該越層支撐輸入完后自動增加了4個標準層,總標準層數達到7個。

3.4.5 布置斜撐后樓層組裝結果對比

這樣簡化了人工事先定義多個標準層的操作。

5、在空間結構菜單中的輸入

空間結構菜單下,桿件的定位是空間三維的軸線,因此斜桿的輸入變得直觀方便,先畫出三維軸線(黃色),再在軸線上布置斜桿桿件。

在空間菜單下,還有工作基面、導入AutoCAD空間軸線、參數輸入桁架、網架等的快速建模方式,因此對于復雜的大量斜桿的空間結構,首選還是在空間結構菜單輸入,需要時再把他們導回到普通結構標準層。

6、對斜桿建模要注意幾點:

1)當斜桿的中間部位與其它桿件相交時,軟件沒有處理這些桿件的連接關系,斜桿只在兩個端點與相交桿件連接;

2)水平或其他傾斜的斜桿不參與房間劃分;

3)目前軟件不能在斜桿上布置荷載;

4)和層上下節點距離過近時將自動歸并節點。

二、轉換其他結構軟件數據到YJK時對斜桿的處理

1、可轉成梁和斜桿兩種類型桿件

當從其它有限元軟件轉模型到YJK中時,對于傾斜的桿件,軟件提供傾角參數,控制轉換成梁或柱,如圖3.4.6所示。

3.4.6 與其它軟件接口中對傾斜桿件的識別角度

由于YJK中對于梁、柱構件,在形成房間、荷載導算、整體指標統計、構件設計等方面均有差異,因此該參數宜根據工程實際情況認真填寫。

2、對轉到YJK的斜桿按照單節點加偏移方式記錄

Etabs、Midas等其他結構計算軟件轉換數據到YJK時,對斜桿都是按照一個節點的定位加另一端偏移的方式記錄的。

三、復雜結構標準層中斜桿的輸入

實際工程中常見由復雜空間結構組成的普通結構標準層,如圖3.4.7所示,有的樓層跨度大,樓面布置了很多桁架,有的是由斜撐、層間梁組成了復雜的造型。對于這樣的復雜樓層,一般應借助空間結構】菜單建模,然后再用【導到樓層】菜單將他們導到普通的結構標準層。當需要修改這樣的樓層結構時,可以使用【導到空間】菜單將他們導到空間結構菜單進行編輯,因為直接使用普通樓層的編輯修改手段編輯復雜斜桿常很困難。這里的具體操作可參見復雜空間模型的輸入和計算。

3.4.7 帶支撐復雜工程

四、斜桿的計算與設計屬性

1、斜桿的局部坐標系

斜桿在建模中的局部坐標系與斜桿兩端點的定義順序有關。如3.4.8所示,桿件的局部坐標系1軸方向,是由桿件的第一個節點(高節點)指向第二個節點的方向(低節點),2軸方向即桿件截面的Y軸,3軸方向為桿件截面X向,1、2、3軸構成右手系。斜桿的X、Y偏心、轉角,均按局部坐標系討論,其中轉角方向繞1軸逆時針轉動為正。

對于斜桿輸入為完全豎直的桿件時則有所特殊,桿件1軸仍為起點(上)指向終點(下),桿件2軸始終對應全局坐標系Y軸,由1、2軸確定3軸。

另外,當斜桿定義為連接屬性時,其局部坐標系與桿件一致,即仍符合上述原則。



X

Z

Y

1

2

1

2(截面Y)

3(截面X)

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3.4.8 支撐局部坐標系

2、斜柱和斜撐

軟件中輸入的柱要求必須是垂直的,如果與Z軸有夾角,則需要按支撐方式輸入。為了在設計上區分斜柱與真正的支撐,軟件設置了支撐按斜柱設計臨界角(與Z軸夾角),如圖3.4.9,默認20°。與Z軸夾角小于該角度的,在整體指標統計與構件設計上,按柱執行。

3.4.9 支撐臨界角

從軟件實現上,斜柱執行的內容主要如下:

1)考慮強柱弱梁調整系數;

2)參與位移統計,會影響位移比和位移角計算結果;

30.2V0調整時,統計到框架中;

4)傾覆彎矩統計時,斜柱統計到框架中;

5)如果定義了框支柱屬性,則進行框支柱地震剪力調整,也執行框支柱的設計彎矩、地震軸力調整規定;

6)按框架柱方式計算受剪承載力,并投影;

目前斜柱未執行的內容:

1)無節點核芯區設計;

3、鉸接剛接

軟件對于材料為混凝土的斜桿默認兩端固接;對于材料為鋼的斜桿,布置在空間層時,默認兩端固接,布置在普通標準層時,若同時符合截面高、寬均<700mm并且支撐與豎直方向夾角超過20°時默認為兩端鉸接。

4、桁架的上下弦桿和腹桿

目前用于鋼結構施工圖中構件屬性的判斷。對于用斜桿建立的構件,如果與豎軸的夾角小于計算參數中的支撐臨界角,軟件會自動按柱來處理,并生成相關節點。若對支撐指定了桁架弦桿或桁架腹桿屬性,則該構件仍然作為支撐處理。

對于桁架桿件的計算長度系數,軟件默認為1.0,當需考慮鋼結構規范中桁架桿件計算長度的相關要求時,需在計算長度菜單中手工指定。

5、斜桿的樓層抗剪承載力計算

軟件設有支撐按柱設計臨界角。

Z軸夾角小于該角度時,按柱方式計算受剪承載力,并投影。

Z軸夾角大于該角度時:對于混凝土支撐,按只考慮鋼筋受拉承載力計算和混凝土柱軸心受壓承載力計算,二者取小,并投影;對于鋼支撐,按只考慮鋼支撐受拉承載力和按歐拉公式反算的受壓承載力計算,二者取小,并投影;型鋼砼支撐,與混凝土支撐類似,同時考慮了型鋼貢獻。無論是哪種材料,軟件均考慮了重力荷載代表值下的軸力影響。

對于水平支撐:軟件不計算受剪承載力。

五、斜桿在彈性連接及減震隔震設計中的作用

YJK在特殊支撐下設置了將斜桿改為彈性連接的菜單,如圖3.4.10,定義的彈性連接類型有線性、阻尼器、塑性單元、隔震支座、間隙。將定義好的彈性連接類型布置到某根斜桿上,該斜桿就自動轉為彈性連接,彈性連接的局部坐標系即以斜桿方向為右手定則確定,原有的斜桿截面不再起作用。

3.4.10 支撐定義為彈性連接

由于任意形式的斜桿在YJK中可以方便地建模,因此這種用斜桿間接地布置彈性連接的方式非常實用。

關于如何用斜桿布置滑動支座等彈性連接,具體可參見復雜空間模型的輸入和計算。

關于如何用斜桿布置隔震支座、屈曲支撐、阻尼器等減震隔震裝置,具體可參見隔震與減震設計。

六、鋼結構斜桿的截面設計屬性空間屬性設置菜單

斜桿在不同結構中常表現為不同的屬性,但以前軟件對鋼結構的非柱屬性的斜桿,默認都設置為鋼框架的中心支撐屬性,抗震設計時將按照抗震規范8.4節關于中心支撐的長細比、桿件寬厚比、高厚比的規定進行計算。

但是,對于非鋼框架中心支撐屬性的斜桿來說,由于《抗震規范》8.4節的規定比一般剛結構桿件嚴格得多,這樣的計算很容易被判斷為超限。

如圖所示工程的屋頂桁架斜桿,原來按照軟件默認的鋼結構框架的中心支撐計算,結果均被判斷為超限。在前處理特殊支撐空間屬性菜單下,將他們設置為桁架腹桿后計算,結果不再超限。

軟件在前處理-特殊構件定義菜單中的特殊支撐中增加了空間屬性定義菜單,用來指定支撐為除了鋼框架中心支撐以外的其他屬性,選項是:

鋼框架-中心支撐;

鋼框架-偏心支撐;

一般桁架結構;

網架;

雙層網殼;

單層網殼;

立體桁架;

門剛支撐;

對于一般桁架結構、網架、雙層網殼、立體桁架,還需進行兩個選項:弦桿及支座腹桿、腹桿;對于單層網殼為殼體曲面內、殼體曲面外。

為了適應網架施工圖設計的需要,需對組成網架的斜桿進一步細分為上弦桿、下弦桿、腹桿、中層弦桿。經過這樣屬性指定的斜桿在結構計算中將按照網架相關規程進行計算和截面設計。

C:\Users\CHENDA~1\AppData\Local\Temp\SNAGHTML22e3e47.PNG

對于不同屬性斜桿的局部穩定及剛度控制,軟件具體實現如下:

鋼框架-中心支撐:非抗震按《鋼結構規范》控制,抗震按《抗震規范》8.4.1控制;

鋼框架-偏心支撐:非抗震按《鋼結構規范》控制,抗震按《抗震規范》8.5.2控制;

一般桁架桿件:局部穩定按《鋼結構規范》5.4.1條、5.4.2條控制,長細比按《鋼結構規范》5.3.8條、5.3.9條控制(長細比限值:壓桿150,拉桿300);

網架、雙層網殼、立體桁架:局部穩定按《鋼結構規范》5.4.1條、5.4.2條控制,長細比按《空間網格結構技術規程》5.1.3條控制(長細比限值:壓桿180,拉桿250);

單層網殼:局部穩定按《鋼結構規范》5.4.1條、5.4.2條控制,長細比按《空間網格結構技術規程》5.1.3條控制(長細比限值:壓桿150,拉桿250);

門剛支撐:局部穩定按《鋼結構規范》5.4.1條、5.4.2條控制,長細比按《門剛規程》3.5.2條控制(長細比限值:壓桿220,拉桿400);

軟件對斜桿默認的設置是對于截面大于200mm的桿件為鋼框架中心支撐,其余為一般桁架的弦桿。

六、常見問題

1、標高錯誤

對于體育館等復雜空間結構,很容易在建模時輸錯斜桿的端點標高,如體育館、復雜空間結構實例。退出建模菜單時,軟件會進行數據檢查,如果發現桿件未連接,且標高在與基礎相連的最大底標高之上,則提示桿件懸空。

可以通過建模中的單線圖方式查看桿件是否連接。

2、起止點選擇錯誤

由于斜桿是布置在本層的兩個節點上,如果平面節點較多,操作時容易選錯斜桿的起止點,造成起止點顛倒或布置到其它節點上。如果這些節點上有其它桿件相連,則數據檢查不能做出提示。這時可在三維透視狀態下查看桿件的空間布置,也可以在樓層組裝后,通過【局部樓層】方式查看多層下的桿件連接關系。

3、越層支撐能否自動識別

目前軟件還無法自動識別越層支撐,需要手工在前處理修改計算長度系數。

4、支撐未驗算穩定及軸壓比為0

如果支撐在所有組合下均為受拉,則不驗算穩定,同時也不計算軸壓比。

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