不同截面形式鋼桁架承載能力分析

張 懿 婷

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

不同截面形式鋼桁架承載能力分析

張 懿 婷

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究不同截面形式對(duì)鋼桁架承載能力的影響，根據(jù)重力相等原則，運(yùn)用ANSYS對(duì)空心圓形、空心矩形以及工字形三種截面形式鋼桁架進(jìn)行有限元分析，并得到了不同截面形式的鋼桁架應(yīng)力以及變形規(guī)律，指出不同截面形式下的鋼桁架結(jié)構(gòu)的承載能力有很大的差異。

鋼桁架，截面形式，結(jié)構(gòu)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)變形

0 引言

鋼桁架梁由于其充分發(fā)揮鋼材的拉力以及壓力，能夠節(jié)省材料，減輕結(jié)構(gòu)自重等特點(diǎn)，因此被廣泛用于工業(yè)建筑的屋架，橋梁以及輸電塔當(dāng)中。因此對(duì)鋼桁架的承載能力研究是十分重要的。本文立足于探討不同截面形式對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)承載能力的影響，研究了鋼桁架在圓形、空心矩形以及工字形三種截面形式下的應(yīng)力以及變形的不同，并通過(guò)鋼桁架的位移云圖以及應(yīng)力云圖中得到了相關(guān)承載能力。

1 有限元模型

對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，首先應(yīng)該建立精確的有限元計(jì)算模型。本文以一個(gè)跨度為10 m的鋼桁架結(jié)構(gòu)為例，結(jié)構(gòu)梁高1.5 m，主要由上弦桿、斜腹桿以及下弦桿構(gòu)成，結(jié)構(gòu)的材料為鋼材，設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)，其中彈性模量為210 GPa，泊松比為0.27，鋼材密度設(shè)置為7 850 kg/m3，鋼桁架結(jié)構(gòu)所用單元為材料庫(kù)中的Beam189。對(duì)于結(jié)構(gòu)橫截面，為了消除自重作用對(duì)最后承載能力的影響，采用重力相等原則，設(shè)置三種橫截面，分別為空心圓形截面、空心矩形截面以及工字形截面，其中空心圓形的內(nèi)徑為8 cm，外徑為10 cm；空心正方形的外徑10 cm，內(nèi)徑8.47 cm；工字形截面的翼板長(zhǎng)10 cm，厚1 cm，腹板長(zhǎng)8.26 cm，厚1 cm。本例采用由下至上的建模方式，建立的有限元模型以及相關(guān)節(jié)點(diǎn)號(hào)如圖1所示。

建立好鋼桁架結(jié)構(gòu)的有限元模型后，需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化劃分并且施加邊界條件約束。本例結(jié)構(gòu)對(duì)其做簡(jiǎn)支鋼桁架梁處理，

對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加重力作用，并在8～10節(jié)點(diǎn)上施加3 000 N向下的集中荷載。

2 不同截面鋼桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過(guò)對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行加載，加載以后可以得到鋼桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及變形情況，對(duì)結(jié)構(gòu)求解以后可以通過(guò)通用后處理中看到不同截面鋼桁架應(yīng)力云圖如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，鋼桁架結(jié)構(gòu)在不同的截面形式下的應(yīng)力云圖差別較為巨大，由于結(jié)構(gòu)為對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)力云圖也基本呈現(xiàn)出對(duì)稱型。其中圓形截面桁架結(jié)構(gòu)以及工字形截面桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布不太均勻，矩形截面桁架結(jié)構(gòu)各個(gè)桿件的應(yīng)力分布較為均勻。對(duì)于圓形截面桁架結(jié)構(gòu)，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在對(duì)稱軸中點(diǎn)的上弦桿節(jié)點(diǎn)處，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1.33 MPa，最小應(yīng)力值產(chǎn)生在支點(diǎn)附近，產(chǎn)生的最小應(yīng)力為1 520 Pa；空心矩形截面桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在11節(jié)點(diǎn)處，最大應(yīng)力值為1.13 MPa，應(yīng)力最小點(diǎn)出現(xiàn)在6節(jié)點(diǎn)與10節(jié)點(diǎn)之間的斜腹桿處，最小應(yīng)力值為218.2 Pa；對(duì)于工字形截面桁架結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力最大值出現(xiàn)在5節(jié)點(diǎn)處，最大應(yīng)力值為4.14 MPa，最小應(yīng)力值出現(xiàn)在3節(jié)點(diǎn)與5節(jié)點(diǎn)之間的上弦桿處，產(chǎn)生的應(yīng)力值為4 456 Pa。

3 不同截面鋼桁架結(jié)構(gòu)變形分析

對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解后，通過(guò)通用后處理對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行查看，所得到的結(jié)構(gòu)變形云圖如圖3所示。

從圖3可以得到不同截面的鋼桁架結(jié)構(gòu)變形特性，三種不同截面形式的鋼桁架結(jié)構(gòu)的變形有較大的差距，結(jié)構(gòu)變形均為對(duì)稱型變形，由于結(jié)構(gòu)施加了簡(jiǎn)支梁的約束，因此三種截面的鋼桁架變形的最小值均在支點(diǎn)處，變形量為零?？招膱A形截面桁架結(jié)構(gòu)與空心矩形截面桁架結(jié)構(gòu)的變形云圖較為相似，并且變形分布很不均勻，其中處于靠近軸中心桿件與節(jié)點(diǎn)的變形量較大，處于支點(diǎn)附近的桿件與節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變形較小。圓形截面桁架結(jié)構(gòu)的最大變形處于軸中心的6節(jié)點(diǎn)處，最大變形值為1.7 cm，工字形截面桁架結(jié)構(gòu)的最大變形值出現(xiàn)在9節(jié)點(diǎn)處，最大變形值為1.12 cm；根據(jù)空心矩形結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)的變形云圖可以看出，此種結(jié)構(gòu)的各桿件變形分布較為均勻，變形較大的點(diǎn)主要出現(xiàn)在上、下弦桿的跨中處，其中最大變形值出現(xiàn)在2節(jié)點(diǎn)與11節(jié)點(diǎn)的下弦桿跨中處，出現(xiàn)的最大變形值為0.258 cm。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)空心圓形、空心矩形以及工字形三種不同截面的鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)計(jì)算得到的應(yīng)

力云圖以及位移云圖可以看出三種結(jié)構(gòu)的承載能力有較大的差異。其中圓形截面結(jié)構(gòu)和工字形截面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及變形分布很不均勻，矩形截面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及變形分布相對(duì)均勻。三種截面的應(yīng)力極值大小順序?yàn)椋汗ぷ中谓孛?圓形截面>矩形截面，矩形截面的應(yīng)力極值要遠(yuǎn)小于其余兩種截面；其中三種截面的變形極值大小順序?yàn)椋簣A形截面>工字形截面>矩形截面，矩形截面結(jié)構(gòu)的變形極值較其余兩種截面結(jié)構(gòu)形式的變形極值要小得多。

鋼桁架結(jié)構(gòu)在工程中發(fā)生破壞的原因除了承載能力不足以外，還與其動(dòng)力特性、溫度應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理性以及施工技術(shù)的成熟性有關(guān)，在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)當(dāng)加以注意。

[1] 王 洋,郝志軍.ANSYS在土木工程應(yīng)用實(shí)例.北京：中國(guó)水利水電出版社,2010.

[2] 李眾徹，孟慶超，何鈺龍，等.溫度變化對(duì)人字形鋼桁架的應(yīng)力及變形分析.建材發(fā)展導(dǎo)向，2014(2)：78-79.

[3] 朱志斌.某工程大型鋼桁架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)與分析.安徽建筑,2015(3):215-216.

[4] 蘭盛磊.基于SAP2000的轉(zhuǎn)換桁架的鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析.四川建材,2015(4):35-36，39.

[5] 王洪濤.高強(qiáng)鋼—混凝土組合梁靜力性能研究.北京：北京工業(yè)大學(xué),2013.

Analysis of bearing capacity of steel truss in different section

Zhang Yiting

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the influence of different section forms on the steel truss bearing capacity, according to the principle of equal gravity, using ANSYS of hollow circular, rectangular hollow and the Ⅰ-shaped three section of a steel truss by finite element analysis, and get different section forms of steel truss stress and deformation, points out that the different section forms of steel truss structure bearing capacity has great difference.

steel truss， cross section form， structural stress, structural distortion

2015-09-13

張懿婷(1995- )，女，在讀本科生

1009-6825(2015)33-0052-02

TU312

A