建筑受力构件中压力与拉力案例分析

郑其荣

（甘肃泓文建筑设计有限责任公司，甘肃兰州 730000）

0 前言

在建筑建设期间，其最为基本的受力方式就是压力和拉力，其在整个建筑历史上对于建筑行业的发展有着十分重要的意义。但是在历史发展的角度来分析，对于拉力和压力的受力研究与分析却不在同时进行。由此本文结合建筑结构中压弯构件和钢结构雨棚体系设计内容和受力分析的内容进行详细分析，也为后续相关建筑工程的实施提供一些有效的参考与建议。

1 建筑钢结构压弯构件的极限承载力分析

1.1 有限元参数化与模型的建立

为了研究不同因素下对于负载下的焊接加固压弯构件的极限承载力的分析与影响，本文采取工字型截面翼缘外对称贴焊钢板加固钢珠，其在柱底进行固结，柱体的顶面内自由，没有面外的平动约束条件，选择不同初始的最大应力比和偏心距以及长细比等参数进行计算，其中面内为绕强轴，面外为绕弱轴。

初始最大应力比为0.0、0.2/0.4/0.6/0.8，偏心距为500/100/150mm，长细比（加固后面外）为40/60/80/100，焊接热的输入等级为0级时无焊接热输入，焊接热的输入等级为A 级时电流25A、电压110V、焊接速度为7mm·s-1、焊接间隙时间为2min，焊接热的输入等级为B 级时电流25A、电压220V、焊接速度为3.5mm·s-1、焊接间隙时间为2min。

1.2 钢材材性和初始缺陷

在有限元计算中，钢材材性参数取值参照《钢结构设计规范》中Q345 钢材性质参数，其屈服强度为fy=345MPa，极限强度为fu=470MPa。在不同的温度下，材性根据欧洲规范确定，不同温度下的屈服应变以εyr表示，其中对应的屈服强度最大应变取值为0.02和0.15；极限应变取值为0.20。

本文对工字形截面和加固板的初始残余应力采取ECCS《钢结构稳定手册》中的模型进行分析，得到相应的应力分布图。且考虑到网格划分之后，根据所应用的焊接残余应力分布的简化模型图，结合inistate 指令命令其在ANSYS 模型中施加，最终得到其几面的残余应力分布情况图。沿着构件方向，全长各个截面数值基本相同，并且与简化输入存在的误差较小，大约为10MPa。

2 斜拉钢结构雨棚体系设计与分析

2.1 斜拉钢结构雨棚体系的设计与研究

本设计斜拉钢结构雨棚站台宽度为12m 的双柱雨棚，目前基于斜拉钢的结构分析，其所设计的雨棚形式主要分为两种，第一种为斜拉杆和纵向进行拉结作用，该方法对于同一根钢柱来讲，其具备两个斜拉点。而第二种，斜拉杆与纵向和横向进行双重拉结，这样在同一根钢柱上则会出现4个斜拉点。结合相关计算来研究可以发现，横向的斜拉对于该作用体系没有多少具体的作用，甚至还会呈现出十分凌乱的问题。所以本文以纵向方位的斜拉杆进行设计，这样在钢柱的顶部设置斜拉点，将其直接和纵桁梁进行连接。在斜拉杆的作用下，其可为屋盖提供弹性支撑，增加屋盖材料的跨度，其有着传力线路简便、安装便捷的优势[1]。

2.2 斜拉钢结构雨棚体系设计

本案例设计的斜拉杆结构在承受风压力过程中，其应力达到最大值。其设计选择32mm的圆钢进行设计，斜拉杆的两侧，利用螺母形式的花篮螺栓进行拧紧，作为受拉单元，在纵梁方向上斜拉杆的拉力相当于集中力，这样在受力方面分析，在实际施工中希望能够将其集中力以较短、可靠的路径进行传递，进而在纵梁上通过节点板实现快速扩散的目的。但是这样设计的方法需要考虑到以下几点：

（1）需要在施工中注意节点本身的受力需合理、安全。

（2）防止集中应力在纵梁锚固节点上，要促使其能够均匀分布，以此来保障整个结构的安全性。

（3）需保障斜拉杆在节点上的拉力以及后续换索工作满足施工要求。

（4）在设置锚固节点期间，需要保障在该节点上的加工与制作等工序的便捷性与可靠性。

本设计12m 宽斜拉钢结构雨棚12m 纵向主梁形式为平面圆钢管桁架，其具体的受力分析如表1所示。

表1 12m宽站台雨棚斜拉杆受力分析

同时其优点在于圆管的对称面也促使截面中的惯性矩对于各个轴作用力相同，这样可促使单一斜栏杆的稳定设计；截面闭合也提升其整体的抗扭刚度，闭合的截面也可对悬挑板件的开口截面稳定性有着十分重要的促进作用。基于本次设计而言，利用圆钢管所制作的桁架外表美观，且其外部的表面积相较于具备同样承载性能的开口截面钢构件更小，这样可以减少其外部防腐与防火涂料的使用量以及涂装工作的施工量，减少人力、物力与财力的支出[2]。

本设计圆钢管桁架使用的节点类型均为相贯节点。采用相贯节点的钢管结构与采用其他节点形式的钢管结构相比，一个显著的区别表现在于，杆件和节点设计的独立性减少，决定杆件承载性能的那些材料和几何要素也同时决定了节点的性能。合理的设计应寻求杆件和节点力学性能的最佳结合点。

3 案例分析

结合对上述案例的分析中可以明确的是，在建筑设计与建设期间，工程师最开始最为依赖的就是压力，其次对压力进行充分利用，到现代在建筑的设计发展理念中，逐渐开始尽量避免压力的产生，但是对于构件的拉力而言发展趋势却刚好相反。首先难以驾驭拉力，后续为合理、充分利用，到现代建筑结构设计中已经沉迷于对拉力的设计和使用。而造成压力与拉力设计此消彼长的主要原因在于以下两个方面：

（1）原材料的发展。古老的建筑一般都是使用的混凝土和石头作为主要建筑材料，而这两种材料本身抗压能力较强，但是其本身的抗拉能力却相对较弱。后续以钢材来大量建设建筑物主要是因为这种材料具备一定的抗拉和抗压性能。同时在大量生产钢铁材料之后，也促进建筑物构件设计中对于拉力的使用效果。

（2）结构分析技术的不断发展。从古代最为初始的简支梁到万神庙的员工结构、再到抛物线和悬链线等结构，建筑工程开始改进了建筑结构工程的形式发展。发展到近代开始，根据数学计算和力学分析，工程师开始运用图解静力学或者是根据计算机等相关工具也进一步优化了形和力之间的关系，促使拉力与压力都得到充分的解放。这对于拉力的发展有着十分重要的促进意义。

4 结语

综上所述，无论是压力还是拉力，在整个工程学上都属于一种极为高效的受力形式，但是在目前工程建筑中依旧存在一些盲目的拉力设计风潮，因此需要结合建筑构件的实际设计情况来合理配置压力与拉力的比例，促使建筑形式和力学性能能够保持和谐一致。