鋼結(jié)構(gòu)屋架簡(jiǎn)化為排架計(jì)算的有限元驗(yàn)證

陳浩恩

摘 要：通過分析、研究鋼結(jié)構(gòu)鉸接排架得出，在設(shè)計(jì)過程中，通常將鋼結(jié)構(gòu)屋架簡(jiǎn)化為排架來計(jì)算，即假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)屋架的剛度EA無窮大。通過應(yīng)用有限元軟件ANSYS分析鋼結(jié)構(gòu)屋架的位移，驗(yàn)證此種替代方法的可行性。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)屋架；排架；有限元驗(yàn)證；位移

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.097

排架結(jié)構(gòu)是指在單層廠房中主要受力構(gòu)件是橫梁（屋面梁或屋架）、柱和基礎(chǔ)，且柱與橫梁為鉸接、與基礎(chǔ)為剛接的結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)屋架（以下簡(jiǎn)稱“鋼屋架”）設(shè)計(jì)的過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用排架進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常，假定鋼屋架的剛度無限大，屋面梁或屋架在荷載作用下沿跨度方向的變形忽略不計(jì)。雖然這種假設(shè)簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，但按排架計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果是否一致，還有待考究。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)兩種不同的鋼屋架通過在節(jié)點(diǎn)處加水平位移的方法進(jìn)行分析，驗(yàn)證簡(jiǎn)化計(jì)算的可行性。

1 有限元模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)描述

以某工業(yè)廠房的鋼屋架為例，根據(jù)相關(guān)資料定義材料的彈性模量E為207 GPa，泊松比為0.3.鋼屋架弦桿和腹桿之間均采用焊縫連接，鋼柱與屋架的連接為鉸接。

廠房一：?jiǎn)螌訂慰缣菪武撐菁?，采用Q235碳素鋼，跨度15 m，柱高6 m。鋼柱截面為HN350 m×175 m×6 m×9 m，屋架上弦為TW75 m×150 m×7 m×10 m，屋架下弦為TW62.5 m×125 m×6.5 m×9 m，腹桿為L(zhǎng)50 m×5 m。

廠房二：?jiǎn)螌訂慰缛卿撐菁?，采用Q235碳素鋼，跨度9 m，柱高4 m。鋼柱截面為HN250 m×125 m×6 m×9 m，屋架弦桿為TW50 m×100 m×6 m×8 m，腹桿為L(zhǎng)50 m×5 m。圖1所示為廠房一和廠房二的結(jié)構(gòu)。

1.2 單元選取

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。在ANSYS中有許多單元類型及建模方式供選擇，這里均采用BEAM188對(duì)所有結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進(jìn)行劃分。該單元是兩節(jié)點(diǎn)三維空間線性單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別有3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，共6個(gè)自由度。

1.3 單元?jiǎng)澐?/p>

按單元尺寸0.1 m對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.4 邊界條件

柱腳約束為固接，屋架與鋼柱的連接為鉸接，并在軟件分析中貴鋼柱和屋架兩部分進(jìn)行耦合。

1.5 施加約束

為了研究鋼屋架的側(cè)移，在鉸接處施加水平位移X=柱高/60，方向?yàn)檎?/p>

廠房一：在鋼柱和屋架的連接處施加水平位移0.1 m。

廠房二：在鋼柱和屋架的連接處施加水平位移0.06 m。

2 有限元分析結(jié)果

通過在結(jié)構(gòu)一端施加位移，研究鋼屋架各關(guān)鍵點(diǎn)處的位移變化量。廠房一和廠房二的位移變形如圖2所示。

通過分析得出廠房一和廠房二結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的位移值分別如表1和表2所示（以坐標(biāo)軸正向?yàn)檎?/p>

3 結(jié)論

本文通過利用有限元軟件ANSYS對(duì)兩種不同種類鋼屋架模型進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在一側(cè)施加位移時(shí)，整個(gè)鋼屋架的位移量幾乎是相同的。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，用排架取代鋼屋架來計(jì)算是可取的。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕