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    型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究.pdf

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    型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究.pdf

    收稿日期2015 11 11;修回日期2015 11 26 基金项目中铁第四勘察设计院集团有限公司课题2012D28 作者简介沈摇磊1985 ,男,一级注册结构工程师,注册岩土工程 师,2010年毕业于东南大学土木工程学院结构工程专业,工学硕士, E鄄mail316789796 qq. com。 第60卷摇第5期 2016年5月 铁道标准设计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol.60摇 No.5 May 2016 文章编号1004 2954201605 0121 04 型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究 沈摇磊 中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉摇 430063 摘摇要根据现行型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138 2001并结合新颁布的相关结构设计规范,利用C语 言编制了型钢混凝土梁设计软件。相关工程实例应用表明,该软件可以根据通用有限元计算软件Midas Gen的计 算结果,按照相关规范要求,对型钢混凝土梁构件进行批量设计,其被广泛应用在大跨度铁路站房设计中,提高了 站房工程的设计效率。 关键词型钢混凝土梁;大跨度;铁路站房;通用有限元; MIDAS Gen;批量设计 中图分类号TU248郾 1摇 摇文献标识码A摇 摇 DOI10.13238/ j. issn.1004-2954.2016.05.026 Research on Application of Steel Reinforced Concrete Beam Design Software in Railway Station Buildings SHEN Lei China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. , Ltd. , Wuhan 430063, China Abstract Based on Technical Specification for Steel Reinforced Concrete Composite Structure JGJ138- 2001 and some new national standards, steel reinforced concrete beam design software is coded in C language. The software is used for batch design of steel reinforced concrete beams based on the finite element modeling FEM calculation results from Midas Gen, and extensively and effectively employed in the design of large span station buildings. Key words Steel reinforced concrete beam; Large span; Railway station buildings; FEM; Midas Gen; Batch design 1摇概述 随着高速铁路迅猛发展,铁路站房结构形式日趋 复杂多变,其中不乏大跨度站房的出现,对结构设计要 求越来越高[1,2]。型钢混凝土梁是将型钢埋入钢筋混 凝土梁中的一种组合梁,由型钢、主筋、箍筋及混凝土 组合而成。型钢混凝土梁具有承载力高、抗震性能好 等优点,被广泛应用在大跨度结构中[3,4]。 目前国内传统结构设计软件如PKPM,对于型 钢混凝土梁设计时,只能处理具有典型层的结构形式。 而其他通用有限元计算软件如Midas Gen等,虽可以 解决复杂造型结构的计算分析问题,但在构件设计方 面功能不足,不支持型钢混凝土梁的设计。 鉴于目前的国内外研究现状,结合我国现行的钢 骨混凝土设计规范[5,6],根据Midas Gen有限元计算软 件的内力计算结果,编制了型钢混凝土梁设计校核软 件Src Beam Design Tools。软件可以对各类工程中 的型钢混凝土梁构件设计校核,具有界面友好、交互输 入、批量读取、批量计算、批量输出、操作简便等功能。 2摇软件编制流程 型钢混凝土梁设计校核软件包括两个模块Midas 模型及内力读取模块及型钢混凝土梁设计模块。型钢 混凝土梁设计校核软件开发的总流程如图1所示,具 体解释如下。 1调用Midas模型及内力读取模块,对相关构件 的节点、单元、截面、节点约束、指定构件等信息进行存 储,通过该模块读取相关型钢混凝土梁构件的设计内 力,输出构件设计参数表格,该模块的详细流程如图 2所示。 图1摇程序总流程 摇 图2摇 Midas模型及内力读取模块 摇 2通过型钢混凝土梁设计模块,在上一模块输 出的构件设计参数表格中,对相关构件进行批量设计, 并输出计算书,该模块的详细流程如图3所示。 图3摇型钢混凝土梁设计模块 摇 3型钢混凝土梁构件设计完毕,程序结束。 3摇软件编制关键技术 型钢混凝土梁设计校核软件编制过程中,对 Midas计算内力调整、型钢混凝土梁构件批量设计是 程序编制的关键及难点。 3郾 1摇型钢混凝土梁设计内力调整 在Midas Gen软件中,大跨度复杂站房结构模型 计算完成后,通过菜单[结果] -[分析表格] -[梁单 元]-[内力]可以提取模型中梁单元在各工况下的内 力计算结果,典型的梁构件内力输出如表1所示[7]。 表1摇梁单元部分工况下的内力 单元 号 工况 组合 截面 位置 轴力 Nx / kN 剪力Vy / kN 剪力 Vz / kN 弯矩My / kN m 弯矩Mz / kN m 1 cLCB5 I[1] 0 -453郾 66 0 0 -470郾 05 1 cLCB5 1/2 0 1郾 38 0 0 253郾 66 1 cLCB5 J[2] 0 456郾 42 0 0 -478郾 3 摇 摇对于型钢混凝土梁,设计内力采用的目标组合为 弯矩最大|Mmax |及相应的剪力V、剪力最大|Vmax |及相 应的弯矩M。 由于型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138 2001[5]对应的建筑抗震设计规范GBJ 11 89与 现行抗震规范要求不对应,按照建筑抗震设计规范 GB50011 2010[8]、高层建筑混凝土结构设计规 范[9]要求,对型钢混凝土梁构件的抗震组合内力,进 行考虑抗震要求的内力调整。 程序编制时,对于满足抗震需要的“强剪弱弯冶要 求,参考现行主流设计软件PKPM[10]、 Midas Building[11,12]的处理方法,直接对水平荷载计算得到 的剪力乘以放大系数,再与竖向荷载计算所得的剪力 进行组合。对于不同抗震等级剪力放大系数的确定, 按表2原则确定。 表2摇钢骨混凝土框架梁剪力调整 构件类型9度6、7、8度特一级一级特一级一级二级三级四级 钢骨混凝土框架梁1郾 2C1 C1 1郾 2C1 C1 1郾 2 1郾 1 1郾 0 摇 摇注C1 max1郾 1伊1郾 1伊超配系数,1郾 3,超配系数是指在设计参数 中输入的实配钢筋超配系数。 3郾 2摇公式改进 型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138 2001[5]规定,型钢混凝土框架梁应验算裂缝宽度及 挠度,最大裂缝宽度及挠度值应按荷载的短期效应组 合相当于标准组合并考虑长期效应组合的影响进 行计算。 本文在程序编制过程中,结合组合结构设计规 范JGJ138 2012报批稿[13]及混凝土结构设计 规范GB50010 2010[14],在进行混凝土构件裂缝、 挠度计算时,按荷载准永久组合荷载长期作用并考 虑长期作用影响计算。 同时,对于裂缝及挠度的计算公式,参照在组合 结构设计规范JGJ138 2012报批稿[13]及混凝 土结构设计规范GB50010 2010[14]按下式进行如 下改进。 1将型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138 2001关于受弯构件最大裂缝计算公式 棕max 2郾 1渍 滓saE s 1郾 9c0郾 08 deq籽 te ,修改为棕max 1郾 9渍 滓saE s 1郾 9c0郾 08 deq籽 te ; 2将型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138 2001关于受弯构件长期刚度计算公式Bl Ms Ml兹-1MsBs,修改为Bl Bs-EaIa 兹 EaIa。 221铁道标准设计第60卷 3郾 3摇型钢混凝土梁批量设计 在进行型钢混凝土梁批量设计之前,首先依据 型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138 2001[5] 有关型钢混凝土梁计算原理及方法设计了单个型钢混 凝土梁构件设计程序,并与相关计算例题进行了对比 分析及测试,结果验证了本设计软件的正确性。 单个型钢混凝土梁构件设计程序界面如图4 所示。 图4摇型钢混凝土梁计算程序 摇单个型钢混凝土梁程序测试完毕后,将型钢混凝 土梁构件设计模块集成在总程序中,读取型钢混凝土 梁柱设计参数,利用循环设计命令进行批量设计。 4摇工程应用 4郾 1摇模型介绍 某火车站结构承轨层,柱距22 m,大跨度梁采用型 钢混凝土梁。梁、板混凝土等级C40,柱混凝土等级 C50,型钢采用Q345,钢筋等级纵筋HRB400,箍筋等级 HRB400,保护层厚度20 mm。结构抗震等级为一级[15]。 型钢混凝土梁截面采用1 800 mm伊2 600 mm内置 型钢采用H1800伊800伊30伊60,与型钢混凝土梁相连的 柱采用钢骨混凝土柱,截面采用25000 mm伊2500 mm内 置双向型钢H1800伊900伊40伊60。楼面荷载恒载按 25 kN/ m2,活载按30 kN/ m2,板厚400 mm。 Midas Gen中的计算模型如图5所示。 图5摇测试模型 摇设计计算时,考虑荷载组合如表3所示。 4郾 2摇型钢混凝土梁测试 利用本文所编型钢混凝土梁设计软件,依次选取 相关选项进行构件设计。限于篇幅,本文仅以众多型 钢混凝土梁构件中的某一根构件为例,用以说明所编 表3摇荷载组合 工况号恒载D活载L X风Y风X地震Y地震 1 1郾 35 0郾 98 0 0 0 0 2 1郾 2 1郾 4 0 0 0 0 3 1 1郾 4 0 0 0 0 4 1郾 2 0 1郾 4 0 0 0 5 1郾 2 0 -1郾 4 0 0 0 6 1郾 2 0 0 1郾 4 0 0 7 1郾 2 0 0 -1郾 4 0 0 8 1郾 2 1郾 4 0郾 84 0 0 0 9 1郾 2 1郾 4 -0郾 84 0 0 0 10 1郾 2 1郾 4 0 0郾 84 0 0 11 1郾 2 1郾 4 0 -0郾 84 0 0 12 1郾 2 0郾 98 1郾 4 0 0 0 13 1郾 2 0郾 98 -1郾 4 0 0 0 14 1郾 2 0郾 98 0 1郾 4 0 0 15 1郾 2 0郾 98 0 -1郾 4 0 0 16 1 1郾 4 0郾 84 0 0 0 17 1 1郾 4 -0郾 84 0 0 0 18 1 1郾 4 0 0郾 84 0 0 19 1 1郾 4 0 -0郾 84 0 0 20 1 0郾 98 1郾 4 0 0 0 21 1 0郾 98 -1郾 4 0 0 0 22 1 0郾 98 0 1郾 4 0 0 23 1 0郾 98 0 -1郾 4 0 0 24 1郾 2 0郾 6 0郾 28 0 1郾 3 0 25 1郾 2 0郾 6 -0郾 28 0 -1郾 3 0 26 1郾 2 0郾 6 0 0郾 28 0 1郾 3 27 1郾 2 0郾 6 0 -0郾 28 0 -1郾 3 28 1郾 2 0郾 6 0郾 28 0 -1郾 3 0 29 1郾 2 0郾 6 -0郾 28 0 1郾 3 0 30 1郾 2 0郾 6 0 0郾 28 0 -1郾 3 31 1郾 2 0郾 6 0 -0郾 28 0 1郾 3 32 1 0郾 5 0郾 28 0 1郾 3 0 33 1 0郾 5 -0郾 28 0 -1郾 3 0 34 1 0郾 5 0 0郾 28 0 1郾 3 35 1 0郾 5 0 -0郾 28 0 -1郾 3 36 1 0郾 5 0郾 28 0 -1郾 3 0 37 1 0郾 5 -0郾 28 0 1郾 3 0 38 1 0郾 5 0 0郾 28 0 -1郾 3 39 1 0郾 5 0 -0郾 28 0 1郾 3 型钢混凝土梁设计软件的实例应用。表4为Midas Gen模型输出的准永久内力表格。 表4摇准永久荷载内力 单 元荷载位置N/ kN Vy / kN Vz / kN My / kN m Mz / kN m 7准永久I 1 695郾 79 -80 -11 322郾 49 -24 031郾 11 -0郾 02 7准永久M 1 695郾 79 -80 -1 668郾 78 10 806郾 16 0郾 33 7准永久J 1 695郾 79 -80 -115郾 08 16 987郾 91 0郾 68 对于型钢混凝土梁设计时,需要考虑强剪弱弯内 力调整。本软件在模型计算时自动增加考虑剪力放大 的内力工况,将不普通抗震工况所得的弯矩内力及考 虑剪力放大的抗震工况所得的剪力汇总于表5。 表5摇抗震组合剪力、弯矩 单 元荷载 位 置N/ kN Vy / kN Vz / kN My / kN m Mz / kN m 7抗震组合I 1 890郾 2 -116郾 74 -9 855郾 94 -16 782郾 61 -858郾 18 7抗震组合M 1 890郾 2 -116郾 74 -9 095郾 79 11 932郾 44 811郾 16 7抗震组合J 1 890郾 2 -116郾 74 -5 335郾 65 12 422郾 09 569郾 93 摇 摇完成型钢混凝土梁设计参数输出及批量构件设计 321第5期沈摇磊型钢混凝土梁设计软件在铁路站房中的应用研究 的计算参数及计算结果如表6 表7所示。从设计结 果来看,对于该大跨度梁,实际配筋由裂缝控制,对于 控制配筋,程序以彩色填充表示。 表6摇型钢混凝土梁设计参数及结果一 1.计算参数7I截面7M截面79J截面 混凝土强度等级C40 C40 C40 钢筋强度HRB400 HRB400 HRB400 型钢牌号Q345 Q345 Q345 箍筋强度HRB400 HRB400 HRB400 梁宽b/ mm 1 800 1 800 1 800 梁高h/ mm 2 600 2 600 2 600 保护层厚度c/ mm 20 20 20 钢筋合力点距离边缘as / mm 42郾 5 42郾 5 42郾 5 实配箍筋直径dsgj / mm 10 10 10 弯矩设计值Md / kN m 16 782郾 61 11 932郾 41 12 422郾 09 剪力设计值Vd / kN 9 855郾 94 9 095郾 79 5 355郾 6 弯矩标准值Mk / kN m 4 837郾 332 2 385郾 492 4 519郾 008 轴力准永久值Nq / kN 1 695郾 79 1 695郾 79 1 695郾 73 弯矩准永久值Mq / kN m 24 031郾 11 10 806郾 2 16 987郾 91 按拉弯构件计算裂缝是1否0 0 0 0 裂缝最大宽度wmax / mm 0郾 2 0郾 2 0郾 2 梁跨度l0 / m 22 000 22 000 22 000 材料按公路桥规设计FALSE FALSE FALSE 受拉钢筋最小配率0郾 002 0郾 002 0郾 002 材料按标准值设计FALSE FALSE FALSE 抗震等级一级抗震一级抗震一级抗震 2郾型钢截面尺寸摇 摇 型钢腹板高度hw / mm 1 800 1 800 1 800 型钢翼缘宽度bf / mm 800 800 800 型钢腹板厚度tw / mm 30 30 30 型钢翼缘厚度tf / mm 60 60 60 型钢翼缘距离柱边距离aa / mm 400 400 400 3郾正截面承载力计算结果 受压区高度x/ m 144郾 354 74 111郾 989 9 115郾 233 2 受压钢筋面积Asc / mm2 0 0 0 受拉钢筋面积Ast / mm2 9 360 9 360 9 360 所选钢筋直径ds / mm 25 25 25 钢筋根数ns 20 20 20 受拉钢筋配筋率0郾 002 0郾 002 0郾 002 表7摇型钢混凝土梁设计参数及结果二 4郾斜截面承载力计算结果摇 摇 受剪截面判断OK OK OK 抗剪承载力之比判断OK OK OK s100 mm范围内箍筋面积Asv / mm2 270 270 270 5郾裂缝计算结果摇 摇 实配受拉钢筋根数58 20 31 实配受拉钢筋直径/ mm 25 25 25 等效钢筋直径deq / mm 54郾 55 83郾 55 70郾 59 等效钢筋应力滓/ MPa 147郾 04 88郾 13 126郾 25 实配钢筋算得裂缝宽度/ mm 0郾 199 0郾 102 0郾 196 裂缝计算结果判断OK OK OK 6郾挠度验算结果摇 摇 实配受压钢筋根数摇 摇 实配受压钢筋直径/ mm 0 0 0 计算的挠度值/ mm 25 25 25 允许挠度值/ mm 20郾 26 10郾 37 15郾 68 挠度验算结果73郾 33 73郾 33 73郾 33 5摇结论 软件编制过程中,通过软件测试,发现和解决了软 件的不足之处,也使得软件更加高效,本次软件编制得 出如下结论。 1本文介绍的软件编制关键技术Midas模型及 内力读取模块中对于Midas Gen文本命令流的识别与 读取、Midas计算内力读取与调整、型钢混凝土梁构件批 量设计可以为后续的相关软件编制提供借鉴。 2通过软件测试以及工程应用,验证了所编型 钢混凝土梁设计软件,可以正确读取Midas Gen有限 元计算软件的内力计算结果,对钢混凝土梁构件进行 批量设计,明显提高设计效率。 3由于程序编制所依据的型钢混凝土组合结 构技术规范JGJ138 2001为2001年颁布,与新版 混凝土结构设计规范GB20010 2010及新版建 筑抗震设计规范GB50011 2010部分内容冲突,软 件编制过程中参照新混规、新抗规及主流设计软 件PKPM、Midas Building等处理方法,对涉及型钢混凝 土梁内力调整系数、部分公式如钢骨梁的裂缝、挠度 计算等进行改进,软件测试表明,改进公式与结构主 流设计软件一致,满足工程实际需要。 参考文献 [1]摇郑健.中国当代铁路客站设计理论探索[M].北京人民交通出版 社,2009. [2]摇郑健. 2011中国铁路客站技术交流会论文集[C].北京中国铁 道出版社,2011. [3]摇聂建国.型钢混凝土组合结构设计实例与分析[M].北京中国建 筑工业出版社,2008. [4]摇刘大海.型钢钢管混凝土高楼计算和构造[M].北京中国建筑工 业出版社,2003. [5]摇中华人民共和国建设部. JGJ138 2001,型钢混凝土组合结构技 术规程[S].北京中国建筑工业出版社,2001. [6]摇中华人民共和国冶金部. YB9082 2006,钢股混凝土结构技术规 程[S].北京北京冶金工业出版社,2007. [7]摇北京迈达斯软件有限公司. Midas/ Gen分析与设计原理[M].北 京北京迈达斯软件有限公司,2004. [8]摇中华人民共和国建设部. GB50011 2010建筑抗震设计规范 [S].北京中国建筑工业出版社,2010. [9]摇中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ3 2010高层建筑混凝 土结构技术规程[S].北京中国建筑工业出版社,2010. [10]中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部. SATWE用户手册及技 术条件[ M].北京中国建筑科学研究院PKPM CAD工程 部,2012. [11]北京迈达斯软件有限公司. Midas Building用户手册及技术条件 [M].北京北京迈达斯软件有限公司,2011. [12]北京迈达斯软件有限公司. Midas Gen用户手册及技术条件[M]. 北京北京迈达斯软件有限公司,2010. [13]中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ138 2012组合结构设 计规范报批稿[S].北京中国建筑工业出版社,2012. [14]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50010 2010混凝土结 构设计规范[S].北京中国建筑工业出版社,2010. [15]黄刚.昆明南火车站结构设计研究[J].铁道标准设计,20136 136 139. 421铁道标准设计第60卷

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