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      數(shù)值模擬風(fēng)荷載下低矮房屋屋架結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

      2014-03-18 02:52:04趙磊磊
      關(guān)鍵詞:屋架軸力剪力

      趙磊磊,陳 亮

      (1.中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京100071;2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京100074)

      在我國(guó)各種自然災(zāi)害中,風(fēng)災(zāi)是對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)影響較大的一種,其影響范圍廣,發(fā)生次數(shù)多,還會(huì)產(chǎn)生較大的次生災(zāi)害。隨著社會(huì)的發(fā)展,全球氣候也在發(fā)生著變化,風(fēng)災(zāi)帶來(lái)的損失也在逐年增大。2010年5月6日,重慶市受到了11級(jí)大風(fēng)的襲擊,波及墊江、梁平、涪陵、彭水等12個(gè)區(qū)縣,受災(zāi)人數(shù)達(dá)90余萬(wàn),造成直接經(jīng)濟(jì)損失大約有4.2億元。隨著風(fēng)災(zāi)的頻繁發(fā)生,人們對(duì)風(fēng)災(zāi)的關(guān)注和研究也越來(lái)越多。根據(jù)多次調(diào)查顯示,在我國(guó)沿海地區(qū),村鎮(zhèn)房屋的倒塌破壞是造成災(zāi)害損失的重要因素[1-2]。因此,本文主要針對(duì)低矮房屋的防風(fēng)研究來(lái)進(jìn)行。

      1 風(fēng)載響應(yīng)研究

      目前對(duì)于風(fēng)荷載的研究大多是通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或者計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)分析低矮房屋表面的風(fēng)壓分布情況,但這僅是完成了防風(fēng)設(shè)計(jì)的第一步[3-4]。

      在風(fēng)荷載作用下,結(jié)構(gòu)的失效形式有很多種,主要有:結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力超出允許值范圍,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞;結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形超過(guò)允許值,導(dǎo)致框架、承重墻的開(kāi)裂或者殘余變形較大,或?qū)е路浅兄亟Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞(例如,門、窗的破壞);結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的嚴(yán)重失穩(wěn);長(zhǎng)期的風(fēng)振引起的結(jié)構(gòu)損失累積,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。

      因此,防風(fēng)設(shè)計(jì)必須首先得到各承力構(gòu)件在風(fēng)荷載下的應(yīng)力及變形響應(yīng),如果響應(yīng)值超出了允許值的范圍,就要對(duì)結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的加強(qiáng)。作者在先前的研究中提出了一套分析方法[5]:通過(guò)ANSYS有限元軟件建立出真實(shí)結(jié)構(gòu)的有限元模型,將風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的風(fēng)荷載施加在模型上,分析得出各構(gòu)件的應(yīng)力及變形響應(yīng),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。在該方法中,應(yīng)力及變形響應(yīng)是直接從有限元結(jié)果中讀出來(lái)的,該結(jié)果對(duì)于分析屋架結(jié)構(gòu)并不充分。

      本文在該方法的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了適用于主承力屋架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的方法。

      2 房屋模型描述

      本文分析的是一個(gè)典型的低矮房屋模型,其房屋結(jié)構(gòu)由墻體和屋面組成。墻體除東、西、南、北四個(gè)立面外,中部還有一個(gè)南北走向的隔墻,隔墻上安裝木屋架;南立面開(kāi)有門窗,東西立面上設(shè)置檐口;屋面由檁條、椽子和瓦組成。

      3 風(fēng)載處理

      根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)得到模型的風(fēng)荷載值,風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P腿缦聢D所示。

      南立面為迎風(fēng)面,北立面為背風(fēng)面,風(fēng)洞試驗(yàn)將模型放置在轉(zhuǎn)盤中心,通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤模擬不同風(fēng)向角,房屋整體繞轉(zhuǎn)盤底面中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

      模型的表面設(shè)置測(cè)點(diǎn),可以測(cè)出風(fēng)荷載下模型不同點(diǎn)的壓力值,進(jìn)而可換算出實(shí)際風(fēng)荷載的體型系數(shù),由公式

      可計(jì)算出實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布。其中βgz為高度z處的陣風(fēng)系;μs為風(fēng)荷載體型系;μz為風(fēng)壓高度變化系;ω0為基本風(fēng)壓。本文中采用浙江 省寧波市 50年 一 遇 的風(fēng) 壓值[6],ω0=0.5kN/m2。

      4 數(shù)值分析

      表1屋架彎矩、剪力及軸力極值Tab.1 The extreme value of the roof truss moment,shear and axial force

      本文采用有限元軟件ANSYS11.0進(jìn)行數(shù)值分析。建立的有限元模型及得到應(yīng)力云圖如下:屋架作為主承力結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行工程細(xì)節(jié)分析。屋架采用的是梁?jiǎn)卧?,可先通過(guò)有限元結(jié)果取出彎矩、剪力和軸力,再用工程算法算出應(yīng)力。下面給出0°風(fēng)向角下屋架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力圖。

      各風(fēng)向角下屋架的彎矩、剪力及軸力極值如上表所示。

      最小彎矩發(fā)生在單元9922、9989;最大彎矩發(fā)生在單元9879、9883;最小剪力發(fā)生在單元9879;最大剪力發(fā)生在單元9895、9883;最小軸力發(fā)生在單元9928;最大軸力發(fā)生在單元9845。各單元所在位置如下圖所示。

      由上表可看出,屋架的彎矩、剪力和軸力最大、最小值均發(fā)生在30°風(fēng)向角情況下;彎矩絕對(duì)值最大值為277 273 Nm,剪力絕對(duì)值最大值為2 541 N,軸力絕對(duì)值最大值為7 170 N,可以用這些最大值校核屋架的受力。

      屋架直徑為150 mm,截面面積為17 662.5 mm2,慣性矩為24 837 890.6 mm4。則屋架最大彎矩引起的最大應(yīng)力為:

      屋架最大剪力引起的剪應(yīng)力為:

      屋架最大軸力引起的正應(yīng)力為:

      則最大正應(yīng)力為:

      根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.2.1-3《木材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和彈性模量》可查得,當(dāng)屋架材料選取強(qiáng)度等級(jí)為TC11A級(jí)時(shí),其抗拉強(qiáng)度為10 MPa,抗壓強(qiáng)度為 7.5 MPa,抗剪強(qiáng)度為 1.4 MPa,再由公式(3)和(5)可知屋架強(qiáng)度滿足要求。

      5 結(jié)論

      本文提出了一種計(jì)算房屋主承力結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載的應(yīng)力響應(yīng)的方法。利用該方法分析得到的低矮房屋屋架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的應(yīng)力水平滿足材料本身的強(qiáng)度要求,同時(shí)也證明了該方法對(duì)結(jié)構(gòu)防風(fēng)設(shè)計(jì)具有更直接的指導(dǎo)意義。

      [1]國(guó)家減災(zāi)中心災(zāi)害信息部.全國(guó)災(zāi)情月報(bào)2009年9月[J].中國(guó)減災(zāi),2009(12):58-62.

      [2]GB50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [3]戴益民,李秋勝,李正農(nóng).低矮房屋屋面風(fēng)壓的實(shí)測(cè)及分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39(7):88-90.

      [4]侯愛(ài)波.建筑數(shù)值風(fēng)洞的基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2006.

      [5]趙磊磊.數(shù)值模擬低矮房屋結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載的響應(yīng)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011(2):16-18.

      [6]GB50009-2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

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