某屋顶新增立体桁架广告牌整体结构有限元分析

某屋顶新增立体桁架广告牌整体结构有限元分析摘要：本文针对某高速收费站网架屋顶增加大型立体桁架广告牌工程实际，从广告牌新增格构柱脚选型入手，建立空间网格抗风结构及支撑构造措施；利用有限元计算软件分析上下结构及整体结构特征值，确定第一自振周期；进行风荷载计算，分析结构内力确定广告牌结构杆件规格；对下部结构分析验算并进行必要的加固补强。关键词：伞形柱帽；立体桁架；结构第一自振周期；整体结构；有限元分析；加固补强FiniteElementAnalysisonMonolithicStructureoftheNewlyErectedRooftopSpatialTrussSignboardAbstract:Basedontheactualconditionoftheprojectoferectinglargescalespatialtrusssignboardongridroofofacertainhigh-speedtollstation,thisarticleherebystartsoutfromthesignboardlatticecolumnfeetselection,buildsupspatialgridwind-resistingstructureandsupportingstructuremeasures;confirmsthefirstnaturalvibrationperiodbyanalysingtheeigenvalueoftheupperandlowerstructureandthemonolithicstructurethroughfiniteelementcalculationsoftware;makesthewindloadcalculation,analysesthestructureinternalforceandconfirmsthespecificationofstructuremembersofthesignboard;worksoutcheckinganalysisofsubstructureandconductsthenecessarystrengtheningandreinforcingwork.Keywords:Umbrellacolumncap;Spatialtruss;Firststructurenaturalvibrationperiod;Monolithicstructure;Finiteelementanalysis;Strengthenandreinforce1工程概况该工程为某高速收费站屋顶新增广告牌工程。原结构建设于上世纪90年代，为直径500mm独立混凝土柱多点支承的网架雨蓬,网架支座于混凝土柱顶，采用伞形柱帽的下弦支承。收费站横向柱间距为2×10.8+5.4+2×10.8m,纵向柱距为10.0m,柱顶高度为5.5m，网架高度为1.84m；新增广告牌高度为5.8m,长度为51.6m,沿横向两排柱顶设置双面广告牌。2广告牌结构方案选择原结构网架雨棚支座为下弦伞形柱帽的支承，支座中心处有一竖向杆件，支座下弦有四根与柱网纵横向成45°夹角的水平杆，支座处上弦节点有四根上弦杆和四根斜腹杆相连。2.1广告牌立柱选择广告牌上部结构可以在网架上弦生根与原网架成为一体进行计算；也可以通过格构式广告牌立柱避开上下及腹杆落于混凝土柱顶生根。前方案计算会因为荷载的变化对网架结构影响很大，需加固处理，这既延长工期又对收费站正常运行带来影响。而采用后方案对网架结构内力影响很小，但结构分析计算需采用有限元分析程序，一般计算程序无法在一个节点既要建立网架支座又要建立格构柱，给结构分析建模提出了更高的要求。经对比分析决定广告牌立柱采用格构柱。考虑到原结构承载能力，将整个广告牌两面板间用空间桁架连接，既降低了广告牌立柱截面规格又对原结构承载能力影响较小。3空间有限元结构模型建立根据计算要求应建立空间广告牌自身模型及原PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion结构与增加广告后整体模型，分别计算结构第一自振周期。建立三维空间模型时除网架按桁架单元外其余杆件按梁单元输入，整体模型柱顶节点需与广告牌立柱节点边界条件约束。柱顶节点为主节点，广告牌立柱节点为从节点，位移、内力与混凝土柱相协调，有限元结构模型采用MIDAS/GEN7.8建立,不同模型见图1、图2。图1广告牌结构三维有限元模型图2整体结构模型侧面图4整体结构整体结构特征值分析根据《户外广告设施钢结构技术规程》CECS148-2003第4.2.5条规定，建筑物屋顶上的广告牌除宜与建筑物一体考虑风振影响外还应按广告自身的基本周期独立计算风振影响，当结构的基本自振周期小于0.25s时可不考虑风振影响。经结构特征值分析本广告牌自身的第一基本自振周期T1=0.2088S小于0.25S，广告牌自身计算时可以不考虑风荷载作用下自振作用。根据《空间网格结构技术规程》JGJ7-2O1O空间网格结构分析时，应考虑上部空间网格结构与下部支承结构的相互影响。空间网格结构的协同分析可把下部支承结构折算等效刚度和等效质量作为上部空间网格结构分析时的条件；也可以将上、下部结构整体分析。本工程上、下部整体结构模型采用MIDAS/GEN7.8建立，整体结构整体结构特征值见表1：表1整体结构特征值模态号频率(rad/sec)频率(cycle/sec)周期(sec)112.19221.94050.5153216.48902.62430.3811316.73152.66290.3755424.77793.94350.25365风荷载计算与模型输入广告牌高度5.8m，外挑1.5m，广告牌柱底标高5.5m，新加广告牌柱高度为8.2m，并加设空间桁架和钢筋拉条支撑构造，广告牌立柱穿越雨棚网架采用8¢73×4无缝钢管组成直径360mm的格构柱，高度为2.4m。上部广告牌立柱采用截面尺寸600×332mm的4根80×40×3矩形钢管组成的格构柱。5.1ωo基本风压广告牌设计寿命15年，安全等级为二级，该地区重现期10年为0.3kN/m2，50年一遇为0.45kN/m2，15年风荷基本风压按0.32kN/m2计算。5.2μs风荷载体型系数该广告牌为两面板，根据《户外钢结构独立柱广告牌图集》07SG526提供中国建筑科学研究资料其整体风荷载体型系数取1.5，分别按0.8、0.7分配到两面板。5.3整体结构风振系数计算根据《户外广告设施钢结构技术规程》4.2.6条结构在z高度处的风振系数βz应按下列公式计算：βz=1+xnzj/μzx脉动增大系数；n脉动影响系数；zj振型系数；μzz高度处的风压高度变化系数。ω0T2=0.32×0.5153×0.5153=0.085,查表4.2.6-1得:PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion)08.01.0/()08.0085.0()83.188.1(83.1=--×-+=x整体结构高宽比:H/B=13.7/51.6=0.266＜0.5,地面粗糙按B类,查表4.2.6-2得脉动影响系数:42.0=n计算整体结构13.7m最高点振型系数zj=1.013.7m高度处的风压高度变化系数μz=1-(1.14-1.0)(15-13.7)/(15-10)=1.10βz=1+xnzj/μz703.110.10.142.084.11=÷××+=5.4风压荷载标准值计算施加整体结构上高度z处(结构高度较小、形式简单统一按13.7m计算)的单位面积风荷载标准值wk应按下式计算：wk=βzμsμzwo根据以上已计算出的相关参数，按结构抗风传递途径计算风压荷载标准值，输入整体模型进行有限元分析。6空间结构有限元分析在风荷载、恒荷载、活荷载等各种荷载输入完毕后进行空间结构有限元分析，通过相应的荷载组合后查看整体结构分析结果。6.1原结构内力分析与加固通过整体模型内力分析，由于原结构混凝土柱间没有纵横向连梁，在新增广告牌风荷载作用下网架上弦有杆件不满足强度要求，同时混凝土柱配筋不足。为了减少加固工作量，在混凝土柱顶500mm处沿纵向增加钢结构桁架梁，桁架梁截面为360ⅹ600mm，矩形桁架主杆件为60ⅹ4mm钢管，桁架端部杆件节点与混凝土柱节点建立主从关系。重新分析结构特征值并调整风荷载，计算分析后原结构网架和混凝土柱满足要求。6.2广告牌结构计算与调整在下部结构满足的情况下，计算广告牌结构内力，验算其强度、稳定性及广告牌在风荷载作用下最大水平位移，调整杆件截面直到全部满足为止。7结束语在既有建筑上新增广告牌时，要根据原结构特点考虑广告牌结构布置形式；在计算条件允许时，尽量建立整体模型计算上下组合结构的第一自振周期；同时在设计广告牌时，要通过结构调整和构造措施降低广告牌结构的特征值，减少其风振影响；再次，新增广告牌结构后要考虑对原结构的受力影响，必要时可以考虑改变结构传力途径的加固措施。参考文献1、《户外广告设施钢结构技术规程》CECS148_20032、《空间网格结构技术规程》JGJ7-20103《钢结构设计规范》GB50017━20034、《建筑结构荷载规范》GB50009-20065、07SG526户外钢结构独立柱广告牌图集PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion