某不規(guī)則鋼框架構設計與對比分析

 1 某工程概況
該工程是位于某座城市的邊緣地帶，在地帶中心還有一個湖泊，目前已經成為了該城市中一個遠近聞名的旅游勝地。而本次工程主要就是對該湖泊周圍進行維修改造。工作人員對該工程設計的主要思路是，沿著湖泊修建一條多功能坡形滑道，滑道的總體長度大約在40米左右。在工程設計的時候，為了避免周圍的空間太過于空曠，設計人員在坡道下方設計了娛樂場管理的辦公室和售票機構，這樣不僅有利于對工程的管理，而且還能給游客帶來更方便的服務。由于該工程的設計并不是規(guī)則的鋼框架結構，因此，在設計過程中，就涉及到了一些有關不規(guī)則鋼框架結構設計的知識和理念，為了能夠將工程更好的完成，本文對該工程不規(guī)則鋼框架構設計進行了詳細系統(tǒng)的分析。
2 建筑布置
按照相關部門對建筑設計的要求，需要將滑道的另一端延伸到湖面中一定的距離，這樣做是為了方便滑道上下水的循環(huán)，因此，為了在保證工程質量的基礎上，充分實現(xiàn)水循環(huán)，延伸到湖面那段距離必須要選擇方便施工人員進行施工的結構體系。在具體設計之前，工作人員對相關的工程土質進行了勘察，勘察結果為土質較為松軟，具有較大的沉降性，考慮到以上幾個特點，在對具體結構進行選擇的時候，設計人員采用了結構較輕的體系，滑道的支撐體系采用的是輕鋼框架結構，結構的立體圖如圖1所示。
從圖1中我們能夠看出，該鋼框架機構采用的是對稱布置，每組框架之間用橫梁相連，根據(jù)滑道設置的寬度，每組框架梁的計算長度約為9m。立體圖中所標有的數(shù)字，指的是每組框架之間所需要的框架柱軸，1-5組框架之間設置了中柱，為二跨多層框架，這樣做主要是考慮辦公樓建設過程中所涉及到的自重和荷載問題。而6-10之間的每組框架中則為設置任何鋼柱，為不等高單跨結構。通過以上分析，我們能夠看出，該工程從左到右的設計，無論是在高度上還是跨度上都有變化，屬于典型的不規(guī)則框架。該框架的總高度為11m，縱向柱間距取為3.4m，底層層高為3.7m，其他層層高為3.3m。該建筑物的抗震設計基本信息如表1所示。
本文系統(tǒng)介紹了該不規(guī)則鋼結構框架的設計過程，其中主要包括材料、截面的選取，采用大型有限元仿真軟件ANSYS對具有代表性的結構內力和變形進行計算，并與相關的規(guī)范進行了對比，以此來為今后同類工程的科學建設提供一定的參考依據(jù)。
3 結構計算
3.1 材料和截面的選取 材料和截面的科學選取對工程的質量非常重要，根據(jù)相關規(guī)范對工程質量的具體要求以及工程的實際情況，工作人員選用了焊接性能較好的Q345-B級鋼材作為工程的主要材料，對于混凝土的選擇則是立方體抗壓強度標準值為30MPa的常規(guī)混凝土?？蚣芰汉涂蚣苤捎脽彳垷o縫圓鋼管，以上是該工程工作人員對于工程材料的選擇。
對于工程截面的選取，6軸到10軸之間的幾組框架柱截面尺寸、框架梁和坡道斜梁的截面尺寸以及次梁的截面尺寸分別為直徑200×6mm、180×5mm和120×4mm。除此之外，為了確保工程的質量，工程的設計人員和監(jiān)理人員一定要對以下幾個環(huán)節(jié)給予高度的重視。由于很多物質都會對鋼管造成腐蝕，因此，在實際施工的時候，由于工程的特殊性，會有部分工程結構長期位于湖水中，因此，還要充分考慮鋼管循環(huán)經歷凍融作用，這就要求工程中所選用的鋼材一定要滿足沖擊韌性的力學性能，同時表面也必須采取特殊的處理。
3.2 荷載統(tǒng)計與計算簡圖 工程設計中所需要的荷載統(tǒng)計，除了工程本身的自重荷載之外，還有夏季滑道上的雨荷載和冬季滑道上的雪荷載。經過專業(yè)人員的計算，得出該工程所承受的荷載最大為1kN/m2，而按照建筑荷載設計規(guī)范，將活荷載取為2.5kN/m2。從圖1中我們能夠看出，該工程荷載最大的位置就是2軸和7軸。因此，設計人員要重視對這兩個軸柱的內力分析，只要這兩個軸柱的設計符合要求，其他軸的框架定可滿足要求。
3.3 數(shù)值仿真分析 在有限軟件ANSYS中，能夠模擬框架的單元類型有很多，每一種模擬框架的單元類型都有其各自的應用范圍，根據(jù)本工程的建設特點來看，應該采用二維BEAMB3單元來對工程中的梁和柱進行模擬，利用ANSYS進行數(shù)值仿真分析的時候，首先要根據(jù)工程的審計內容選擇關鍵點，然后將其連線形成幾何模型，再進行網格劃分的建模方式，施加均布荷載，最后求解。KJ1和KJ2有限元模型如圖2所示，而二者的最大內力值則如表2和表3所示。從表中所體現(xiàn)出的數(shù)值我們能夠看出，在整個不規(guī)則鋼框架結構的設計中，承受內力最大的就是KJ1梁和KJ2柱，通過設計人員的明確計算，得出KJ1梁支座的強度承載力為110.7N/mm2，KJ2柱的軸壓承載力為95.45N/mm2。二者都達到Q345級鋼材的強度，對相關構件的結果驗算，也都滿足《鋼結構設計規(guī)范》的要求。
4 構造措施
根據(jù)工程相關要求的內容來看，明確規(guī)定了某些鋼管的強度以及屈服比應該控制在什么范圍之內，比如說熱軋無縫鋼管，不應采用屈服強度fy超過345MPa以及屈強比fy/fu>0.8的鋼材，此外，為了確保工程抗震質量能夠達到相關要求，設計人員也采取了相應的措施，具體情況見圖3。
5 結語
綜上所述，隨著我國建筑行業(yè)發(fā)展腳步的不斷加快，不規(guī)則鋼框架結構設計在工程中的應用也必然會越來越廣泛。結合該工程不規(guī)則鋼框架結構設計情況分析我們能夠看出，根據(jù)工程的實際情況合理采用有限元軟件ANSYS，能夠在很大程度上滿足社會發(fā)展對工程的根本需求。