某钢结构塔架的稳定性分析及设计优化

王 佳 炜

(贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081)



某钢结构塔架的稳定性分析及设计优化

王 佳 炜

(贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

以云南某宗教建筑为例，采用Midas Gen分析软件，建立了简化模型，对该建筑钢塔结构进行了弹性与稳定性分析，并根据分析结果，提出了该结构的优化建议，从而确保塔架的安全性。

宗教建筑，钢塔架，弹性分析，稳定性

1 工程概况

本项目为云南某地一宗教建筑，屋顶钢结构的造型为设计的一大亮点，充分的体现了该宗教建筑的特点。该工程建筑总面积为5 531 m2，22.500 m标高以下为钢筋混凝土框架结构，22.500 m标高以上为钢塔架结构，钢塔架高24.6 m(塔顶距±0.000标高47.1 m)，具体情况见图1。该项目建设地点抗震设防烈度为7度，故下部混凝土框架结构抗震等级为三级，钢塔架结构抗震等级为四级。

钢塔架为Q235的无缝钢管焊接而成，外装采用铝单板和玻璃幕墙实现建筑效果。其中钢塔架结构主要由竖向构件、环向横隔、腹杆三部分组成。竖向构件分别由6根φ219×14钢管从22.500 m标高直至塔顶通过焊接球合并为塔尖，由5根φ219×14钢管根据正立面造型搭建而成，由于背立面存在折面又增加了2根φ219×14钢管，作为折面的脊线。环向横隔有闭合和开口两种，其中22.500 m和27.300 m标高处为开口环向横隔，规格均为φ194×12；32.100 m和40.670 m处为闭合横隔，规格分别为φ180×12和φ159×10。腹杆主要尺寸为φ108×6，个别应力比较大的位置选用φ159×10。钢塔架竖向构件和环向横隔用钢量为18.8 t，腹杆用钢量为6.3 t。钢塔结构布置如图2所示，图中粗实线表示竖向构件，粗虚线表示环向横隔，细线表示腹杆。约束支座共10个，图2中均有标注。由于塔架平面关于Y轴对称，左右侧立面结构布置相同，故图2中仅表达了正、背、侧三个立面。由塔架俯视图可清晰分辨出，塔架的结构布置关于Y轴对称，根据造型的需要，X轴两边的结构布置有较大的差异，具体情况见图3。

2 分析思路

本文采用分析软件Midas Gen来完成钢塔结构的力学性能及整体稳定性分析，对于框架结构而言，框架柱的计算长度仅受周边梁柱的线刚度比影响，而该塔架结构塔柱计算长度的确定则比较困难，塔架平面的形状、边界约束条件、环向横隔、荷载条件等众多因素对某一根塔柱的计算长度均有干扰，若从整体模型中单独提取某根塔柱建立一个准确的局部模型来考虑比较麻烦，结合本工程的建筑体量，从设计角度出发，本工程采用整体模型分析。

2.1 简化模型

由于腹杆对主体的刚度和稳定性都有一定的贡献，从简化、安全的角度下考虑，在整体模型中仅建立竖向杆件和环向横隔，忽略腹杆的贡献。考虑到外装自重和风荷载受荷面的问题，分析模型中腹杆之间设置了弹性模量为零，自重为1.5 kN/m2的虚板。虚板不仅模拟了建筑的自重，还有效的将风荷载传递到杆件节点上。根据邱晖、付举宏等[1]对位移边界条件的研究，表明塔架结构下部铰接、上部自由时，塔柱的计算长度略大，因此本工程的位移边界条件就按此考虑。

2.2 荷载取值

按简化模型的思路，结合虚板所考虑的外装饰自重，分析软件将结构所有自重考虑为恒载工况。由于钢塔架关于Y轴对称，风荷载分别考虑了三个方向的来风，即正立面、背立面和侧立面方向的风荷载，在此分别将三个方向的来风定为WY1,WY2,WX。因此，该模型的荷载组合考虑为1.2×恒荷载(自重)+1.4×风荷载(分别考虑不同方向)+0.98活荷载。

2.3 分析过程

3 分析结果

通过前文所述的内容，在几何非线性中按位移控制法，分别求出三个来风方向所组合的荷载工况，在合适的节点最大位移控制下可得到位移拐点，此时即求出极限荷载系数，出现位移拐点的位移曲线图如图4所示。

现将弹性分析和结构稳定性分析的结果罗列如表1所示，特别需要说明的是表1中数据是通过多次计算调试，分别对竖向构件和环向横隔的构件大小进行了优化，对位移边界条件进行了调整后确定的最终分析结果。表1中最大应力及位移是基于弹性分析下的结果，为设计提供复核依据。极限荷载系数是基于几何非线性下进行屈曲分析所求得的，旨在表征结构整体稳定安全的量值标准。

表1 分析结果

4 设计优化

该工程通过前期所做的分析工作，经过对分析模型的调试，对分析结果的判断。为后续的设计提供了支撑，在此重点介绍该工程的两处优化内容。

1)该工程在设计之初，仅考虑了支座-1未考虑支座-2(如图2所示)，在后续分析的结果中观察到27.300m标高处的环向横隔应力较大，查看其弹性屈曲模态下的动画此处变形明显较大。究其原因，环向横隔对钢塔架的整体稳定性有较大的贡献，文献[1]对此也有研究，加之此处环向横隔并未闭合，无形中就使此处成为了一个薄弱点，为弥补该环向横隔的不足，考虑在横隔开口的两端增设一个X,Y方向的约束即为支座-2。最终不仅解决了该环向横隔及周边腹杆应力及位移较大的问题，同时还有效的提高了结构的整体稳定性。2)基于前文所述，在增设位移边界约束条件的前提下，结合弹性分析和结构整体稳定性分析的结果。本工程在3D3S软件中初算时，竖向构件定为φ293×16，以现阶段的分析结果作为优化设计的支撑，可将此规格的杆件优化为φ219×14的杆件，可在满足结构安全的前提下节约一定的用钢量。

5 结语

1)钢塔架不便于单独考虑某根构件的计算长度，分析过程中可根据工程的实际情况考虑对整体模型的简化或局部模型来做屈曲分析，以此确定塔架的整体稳定性能。2)环向横隔对结构整体稳定性能的贡献显著，建议尽量做强横隔，条件允许的情况下应环向闭合，若不能闭合应采取措施。3)通过稳定性分析，获得钢塔架整体模型中最不利荷载工况下的极限承载力。极限状态时最不利水平风荷载为设计值的19.5倍。

[1] 邱 晖,付举宏.基于弹性屈曲理论的正多边形钢塔架计算长度的研究[J].特种结构,2015(4)：20-22.

[2]GB50017—200X，钢结构设计规范(送审版)[S].

[3]GB50017—2003，钢结构设计规范[S].

[4] 郭彦林,刘禄宇.广州新电视塔细腰段整体模型稳定性试验研究[J].土木工程学报,2008,41(8)：66-68.

[5] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

Thestabilityanalysisandoptimizationdesignofasteelstructuretower

WangJiawei

(GuizhouArchitecturalDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Guiyang550081,China)

Taking a religious building in Yunnan as an example, using Midas Gen analysis software, this paper established the simplified model, made elastic and stability analysis on the building steel structure, and according to the analysis results, put forward the optimization suggestions to the structure, so as to ensure the safety of the tower.

religious building, steel tower, elastic analysis, stability

1009-6825(2017)12-0047-02

2017-02-11

王佳炜(1987- )，男，工程师

TU391

A