多层钢结构施工对框架承载力的影响

　　【摘要】用ANSYS模拟框架结构的焊接，研究其对结构承载力的影响力，得出从筒体到边跨的顺序焊接时残余应力和残余变形较小，对结构承载力影响亦较小，故建议从筒体向边跨的顺序施工。
　　关键词：多高层钢结构，框架，承载力，影响
　　1引言
　　框架结构中筒体由剪力墙围合成，抗弯、抗剪和抗扭刚度均很大，承受了大部分的水平荷载，在水平方向上能给予框架很强的约束作用，故在框架一核心筒结构施工过程中框架梁焊接顺序的不同使结构的约束方式不同，从而使结构的焊接残余应力和残余变形的分布和量值有较大的差别，对结构的承载力亦将产生不同的影响。本文用ANSYS模拟框架结构的焊接顺序，研究其对结构承载力的影响。
　　2建立分析模型
　　取框架一核心筒结构三层框架为研究对象，分析二跨、三跨、四跨和五跨框架梁从边跨到核心筒的焊接顺序(以下简称边到中)和从核心筒到边跨的焊接顺序(以下简称中到边)两种情况下，焊接应力和残余变形的不同分布、数值及对框架-核心筒结构承载力的影响。(图1为三层三跨的框架计算简图)
　　（1）定义单元类型、截面网格划分、定义材料属性。
　　（2）创建几何模型并划分单元，模型中柱子均采用Z-3，梁均采用L-2。
　　
　　图1三层三跨框架计算简图
　　3约束及荷载
　　（1）约束
　　柱脚为固定端，即约束柱脚所有自由度。筒体由剪力墙围成，刚度很大，故约束与筒体连接梁端所有自由度。为了防止框架平面外失稳，将所有节点平面外位移Uz设置为0。
　　（2）焊接残余应力和变形
　　本文需模拟框架梁不同顺序焊接过程，残余应力需在整个过程中逐步施加，残余应力施加方式只能施加在第一个荷载步，无法满足要求。故考虑降低框架梁两端单元温度，使框架产生温度应力和变形代替焊接残余应力和残余变形（图2）。由翼缘截面平衡条件可得：
　　（式1）
　　（式2）
　　（式3）
　　其中:F为翼缘截面合力;
　　为残余应力;
　　为等效温度应力;
　　A为积分面积(见图2b);
　　为材料线膨胀系数;
　　E为材料弹性模量;
　　为下降温度。
　　
　　(a)残余应力分布(b)等效温度应力
　　图2等效应力示意图
　　（3）水平荷载与竖向荷载:框架一核心筒结构中核心筒的刚度很大，承受了大部分的水平荷载，本节主要研究框架的承载力，故先在边跨的梁柱各节点上施加100kN的水平荷载，再对框架施加一个较大的竖向荷载q，当框架达到极限状态时所得到的竖向荷载即为框架的极限承载力，故竖向荷载q为一未知量。
　　4求解步骤
　　（1）对不同顺序焊接过程的ANSYS模拟，建立模型并施加约束后具体步骤如下:
　　①杀死所有框架梁对应的单元。
　　②激活第一根焊接的梁对应的单元，施加相应的焊接残余应力和残余变形并求解。
　　③激活第二根焊接的梁对应的单元，其余步骤同b，用ANSYS的APDL语言编写循环子程序实现焊接过程的模拟。
　　（2）焊接模拟完成后先对边跨梁柱各节点施加l001cN的水平荷载，再对框架施加一个较大的竖向荷载均布荷载q，设置子步数为1000步并求解。
　　5计算结果及分析
　　对两组模型进行数值模拟后得到以下结果:
　　（1）焊接阶段
　　由图3，图4可知，残余应力和残余变形逐跨累积，故随着跨数的增加，两种不同顺序焊接所得残余应力和残余变形均在增加，但从中到边焊接其残余应力和残余变形要远小于从边到中焊接。
　　

　　由图3和图4可求得两种情况下焊接残余应力和残余变形的变化率(见图5):
　　（式4）
　　（式5）
　　其中为残余应力变化率;
　　为残余变形变化率:
　　为边到中焊接的残余应力;
　　为中到边焊接的残余应力;
　　为边到中焊接的残余变形;
　　为中到边焊接的残余变形。
　　
　　图5两种不同焊接顺序残余变形与残余应变变化率
　　（2）加载阶段
　　模拟完焊接阶段后对模型逐步施加荷载，分别求得两种情况下框架达到弹性极限时最大应力处的弯矩和轴力，对比分析焊接残余应力作用下的初始弯矩和轴力，得出焊接应力和残余变形引起的初始弯矩和轴力对结构承载力的影响。
　　当框架以边到中顺序焊接，框架焊接完成部分连成具有一定刚度的整体，对后焊部分框架产生较强的约束作用，且先焊部分产生的收缩变形使后焊部分的预设焊缝坡口宽度增加，导致后焊部分的焊缝宽度增加，残余应力和残余变形亦随之增加。随着框架跨数的增加，增长的趋势愈加明显。焊接残余应力和残余变形引起的初始弯矩相对较大，对框架承载力产生较大的削弱作用，且随框架跨数的增加其影响率亦增加。
　　当框架以筒体到边跨的顺序焊接，仅筒体对框架后焊部分有约束，故其焊接残余应力和残余变形较小，产生的初始弯矩较小，对框架承载力的削弱作用亦小，且影响率随框架跨数增加反而减小。
　　两种不同顺序焊接产生的轴力对框架承载力均没有削弱作用，相反能一定程度上提高框架承载力，其原因为焊接产生的轴力与外荷载作用下产生的轴力方向相反，能抵消一部分外荷载产生的轴力，提高框架承载力。
　　6结论
　　在钢结构工厂制作和施工现场拼装的过程中，温度随时间和空间的急剧变化，使钢结构产生较大的残余应力和残余变形。前者会降低多高层钢框架构件的刚度，影响其弹性极限承载力后者则使框架二阶效应增加。可见焊接残余应力和残余变形对结构承载力的影响不能忽略，研究焊接残余应力和残余变形对多高层钢框架承载力的影响具有较大的现实意义。本文对于框架一核心筒结构，从核心筒到边跨的焊接顺序对结构的承载力影响较小，故建议在焊接施工过程中应从核心筒开始向边跨施工。
　　参考文献
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