重力對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的影響仿真

摘 要：為了研究重力對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的影響，通過有限元分析軟件ANSYS對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并考慮桁架結(jié)構(gòu)的自重，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了重力引起的桁架變形及造成的應(yīng)力分布，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，提高了桁架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的可靠性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：桁架結(jié)構(gòu)；重力；ANSYS仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.208

0 引言

桁架結(jié)構(gòu)在房屋建筑、橋梁及船舶、射電望遠(yuǎn)鏡等現(xiàn)代工程中得到廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕及拆卸方便等。桁架結(jié)構(gòu)按外形通常分為平行弦桁架、梯形桁架及三角形桁架等，其組成通常有圓鋼、角鋼和T型鋼等，連接方式有焊接、螺栓連接等。影響桁架結(jié)構(gòu)工作性能的因素很多，比如材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)分布、風(fēng)荷、連接方式及重力等因素，其中重力對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的影響最明顯。尤其當(dāng)桁架結(jié)構(gòu)用于外伸支撐時(shí)，桁架自重造成桁架變形，在桁架還未承受外力時(shí)，其強(qiáng)度與形狀便與設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)存在偏差。而重力造成的桁架結(jié)構(gòu)變形很難通過提前計(jì)算得到，所以有必要利用有限元軟件在工程實(shí)施前對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重力變形仿真。本文以一個(gè)小型的外伸支撐桁架結(jié)構(gòu)為例，考慮其自重，利用有限元仿真軟件ANSYS，仿真桁架結(jié)構(gòu)在不受外載荷時(shí)，重力造成的變形。

1 桁架結(jié)構(gòu)建模

ANSYS軟件是常用的有限元仿真集成軟件，其在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)建模方便，劃分網(wǎng)格準(zhǔn)確，仿真計(jì)算結(jié)果精確。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊及后處理模塊，進(jìn)行的分析類型主要有靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及熱分析等。本文進(jìn)行的仿真分析屬于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，通過對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析得到因自重造成的桁架變形、應(yīng)力等。

本文的桁架結(jié)構(gòu)是由角鋼組成，型號(hào)為50-50mm，長度有1200mm、825mm等多種規(guī)格，連接方式包括焊接和螺栓連接，但在建模時(shí)為了減少計(jì)算量，忽略焊接點(diǎn)的集中應(yīng)力影響，也忽略螺紋、螺栓孔等的影響。根據(jù)實(shí)際模型建立仿真模型，單元類型選擇beam，材料選擇45號(hào)鋼，密度為7890kg/m3，屈服強(qiáng)度為209000Gpa，泊松比為0.3，劃分網(wǎng)格時(shí)采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格，由于beam單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)比較簡單，可直接在ANSYS軟件中meshtool工具欄中設(shè)置網(wǎng)格單元大小或單元個(gè)數(shù)，并且施加全約束。重力通過設(shè)置重力加速度來實(shí)現(xiàn)，重力加速度在defineloads工具欄中設(shè)置。

2 仿真計(jì)算

設(shè)置好各種參數(shù)后，利用ansys中分析計(jì)算模塊，進(jìn)行分析計(jì)算，并在后處理模塊中查看仿真結(jié)果。查看結(jié)果得到最大應(yīng)力為293Mpa，分布在外遠(yuǎn)端；最小應(yīng)力為46Mpa，分布在約束端的約束處；說明靠近約束處的桁架剛度高，受到重力影響小，遠(yuǎn)端桁架剛度小，受重力影響大。并且可以查看桁架原型與受重力影響后的對(duì)比，得出因?yàn)樽灾?，桁架?shí)際的位置和形狀與理論的位置和形狀相差很大，而且越遠(yuǎn)離近端差距越大。如果在實(shí)際工程中，沒有提前預(yù)計(jì)到這個(gè)變形，會(huì)造成偏差。再次說明通過分析軟件提前對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重力變形仿真很有必要。

3 結(jié)論

在工程中，桁架結(jié)構(gòu)可以以較少的材料提供足夠的抗拉、抗剪能力，但是其自重對(duì)其形狀的影響不可忽略。根據(jù)本文仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)在距離約束端較近的地方其自重造成變形小，在遠(yuǎn)離約束端的桁架自重會(huì)造成較大變形，所以有必要在遠(yuǎn)離約束端增加支撐，并在增加支撐和增加重量之間尋求平衡。還能根據(jù)仿真分析得到抗剪危險(xiǎn)點(diǎn)，并在此處采取增加支撐或改變截面形狀等措施增強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)的抗剪能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]舒興平.鋼框架結(jié)構(gòu)彈塑性有限變形理論分析與試驗(yàn)研究[D].長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，1992.

[2]周緒紅，周期石.水平荷載作用下交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2004，25（04）：66-71.

[3]關(guān)英俊，徐宏，李志來等.大型離軸空間相機(jī)桁架支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].光電工程，2014，12（41）：7-13.

[4]張躍峰.建筑中的交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系[J].鋼結(jié)構(gòu)，2001，16（55）：41-43.

作者簡介：郭永鳳（1988-），女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士。