某民用建筑鋼屋架的安全性分析

卜 凡 何夕平 朱智修

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 安徽合肥 230601)

屋架作為屋面結(jié)構(gòu)的主要支撐部件一般多用三角形，由上弦、下弦及垂直腹桿和斜腹桿組成，根據(jù)材料不同有木屋架、鋼屋架及鋼筋混凝土屋架等[1]，目前常見于傳統(tǒng)民用建筑中。而在傳統(tǒng)的民用建筑的建設(shè)中，大多只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，缺乏一定的理論基礎(chǔ),故近年來(lái)，民間自建房建設(shè)過(guò)程當(dāng)中事故頻發(fā)。屋架結(jié)構(gòu)作為房屋屋面的支撐結(jié)構(gòu)，若其在建設(shè)或使用過(guò)程中出現(xiàn)破壞，則所引發(fā)的事故和經(jīng)濟(jì)損失往往較大。目前一些傳統(tǒng)民居經(jīng)過(guò)第一次自然災(zāi)害或年久失修的原因進(jìn)行了翻修。翻修過(guò)后往往用鋼屋架代替木屋架，與傳統(tǒng)木屋架相比，鋼屋架質(zhì)量更加小，節(jié)點(diǎn)一般為焊接等優(yōu)勢(shì)，但因其持續(xù)暴露在空氣當(dāng)中，對(duì)其安全性與使用性有很大的影響[2]。在此背景下，文章將以安徽省合肥市某一農(nóng)村自建房中的鋼屋架與木屋架為例進(jìn)行研究，根據(jù)其受力情況進(jìn)行分析，為民用建筑采用鋼屋架提供借鑒與參考。

1工程概況

該工程為一傳統(tǒng)民建房到雙坡面鋼結(jié)構(gòu)屋架，由圖1可看出，屋架與上部結(jié)構(gòu)接觸部位僅僅是幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。故在此屋架范圍內(nèi)，上部荷載都是通過(guò)垂直腹桿與上旋桿節(jié)點(diǎn)處直接傳遞至整個(gè)屋架，屋架再將力傳遞至墻上。屋架兩端砌筑于墻體當(dāng)中。如圖1所示，為安徽省合肥市某一農(nóng)村自建房鋼屋架，而傳統(tǒng)民居多為木質(zhì)屋架。屋架形式為三角形，屋架跨度為6m，高為1.5m。外表已開始銹蝕，下弦每隔1m均焊制一豎向垂直腹桿并以斜腹桿相連。所有桿件截面截面均為60mm×60mm，厚度3.0mm的矩形鋼管構(gòu)件。每個(gè)垂直腹桿與上弦交點(diǎn)處所受均為集中荷載。每點(diǎn)經(jīng)計(jì)算所受荷載為3.5KN。

圖1 某一民用建筑鋼屋架

2相關(guān)理論

該屋架構(gòu)件間連接形式均設(shè)置為剛接，支座設(shè)置為鉸接[3-5]。各構(gòu)件均為鋼構(gòu)件，垂直腹桿與上旋桿節(jié)點(diǎn)處主要所受外力為集中荷載，保證結(jié)構(gòu)和各構(gòu)件的穩(wěn)定性，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要內(nèi)容。故在實(shí)際使用中屋架應(yīng)滿足必要的穩(wěn)定性。經(jīng)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軸心受力構(gòu)件剛度的限制，需對(duì)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比作出要求：

(1)

式(1)中：λ為構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比；l0為構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度；I為構(gòu)件截面慣性矩。

軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算公式：

(2)

式中：φ為構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)。

兩端嵌固的軸壓桿，臨界應(yīng)力為：

(3)

在實(shí)際工程當(dāng)中，構(gòu)件不僅僅受軸心壓力的作用，也受到彎曲和扭轉(zhuǎn)的作用。這時(shí)桿件受力情況較為復(fù)雜，為了精確求解其受力狀態(tài)，通常借助相關(guān)軟件進(jìn)行分析求解。

3模型建立

為了更加直觀地體現(xiàn)屋架承受荷載作用后的變形及位移情況，文章利用有限元軟件MIDAS進(jìn)行屋架的受力模擬分析。為了更加精確地模擬本工程的實(shí)際受力狀態(tài)，此次模擬過(guò)程中，只考慮桿件自重與節(jié)點(diǎn)荷載對(duì)整個(gè)屋架的穩(wěn)定性影響，屋面建筑做法與形式忽略不計(jì)，只考慮其傳遞荷載方式與大小。

文章所研究的屋架基本參數(shù)為：各截面尺寸均為50mm×60mm，厚度2.0mm的矩形鋼管構(gòu)件。整體屋架為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。下弦桿總長(zhǎng)6000mm，中部垂直腹桿長(zhǎng)1500mm，可直接看出最兩端垂直腹桿為零桿，力的作用點(diǎn)位于上旋桿與垂直腹桿交點(diǎn)處。節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為剛節(jié)點(diǎn)。該模型中鋼材使用Q235級(jí)，所用的材料均為各向同性材料，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，先定義好相關(guān)材料屬性和設(shè)置截面相關(guān)信息，再進(jìn)行進(jìn)行基本結(jié)構(gòu)的建立，通過(guò)“建立單元”選項(xiàng)設(shè)置上旋桿與斜腹桿。模型建立時(shí)，程序默認(rèn)兩節(jié)點(diǎn)間為一個(gè)單元，為了計(jì)算的準(zhǔn)確與便捷，通過(guò)“分割單元”選項(xiàng)將默認(rèn)單元再次進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。

依據(jù)上述構(gòu)件尺寸，建立相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)賦予相應(yīng)的屬性，單元選取3D實(shí)體單元，更好的反應(yīng)實(shí)際受力狀態(tài)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。即可生成鋼屋架的有限元模型。屋架模型建立完成之后，先對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，通過(guò)一般支承選項(xiàng)，對(duì)屋架兩端進(jìn)行鉸支座設(shè)置并將各節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛性節(jié)點(diǎn)。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，將屋架承受屋面的荷載進(jìn)行換算，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處所承受的荷載為3.5KN。在軟件中選定靜力荷載類型，依次進(jìn)行建立荷載工況信息，添加節(jié)點(diǎn)荷載等步驟。完成情況如圖2所示，模型建立完成。

圖2 屋架受力圖

4模擬分析

模擬的情況為僅考慮正常使用狀態(tài)下的屋架受力情況，即屋架在正常工作時(shí)的受力狀態(tài)。直接運(yùn)行軟件，通過(guò)靜力分析的方法，運(yùn)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 屋架彎矩圖

圖4 屋架軸力圖

根據(jù)圖3彎矩圖可看出，屋架支撐位置承受荷載最大，因屋架結(jié)構(gòu)為一整體的剛性體，外部荷載最終通過(guò)支撐位置傳遞至墻體，固支座位置處受力較大。此模型大致模擬支座處屋架的受力情況。因墻體與屋架接觸面積較大，實(shí)際屋架兩端處彎矩應(yīng)小于模擬結(jié)果。由圖4可以看出，此屋架在上旋處受力較大，而由于斜腹桿與垂直腹桿的作用上旋桿軸力分為三段，越接近支座處上旋桿軸力越大。下弦桿與側(cè)垂直腹桿基本不受力，軸力最大處為19.3KN。

根據(jù)圖5可以分析屋架在正常使用狀態(tài)下的應(yīng)力變化，在支座節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，數(shù)值大小為43.70N/mm2，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許限值。根據(jù)圖6變形圖可看出屋架整體向下變形，支座處因約束作用保持不變。變形最大值為0.94mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值要求。故正常使用情況下，次屋架不會(huì)出現(xiàn)受力破壞，且安全儲(chǔ)備較大。

圖5 屋架應(yīng)力圖

圖6 屋架變形圖

5結(jié)論

該分析建立的是理想桿件狀態(tài)下的有限元模型，進(jìn)行承載能力計(jì)算分析。通過(guò)上述有限元建模分析，得到以下結(jié)論：

(1)整體屋架鋼材截面尺寸相同，但所承載的力并不相同。因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)為剛接，故應(yīng)力主要集中于上旋桿處，這也說(shuō)明了上旋桿在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到主要的承載作用，在實(shí)際上設(shè)計(jì)當(dāng)中需要確保上旋桿的受力性能穩(wěn)定。就該工程來(lái)說(shuō)，整體屋架受力性能良好，安全儲(chǔ)備較大。

(2)腹桿與下懸桿所承受彎矩與軸力作用較小，其所受應(yīng)力也較小。設(shè)計(jì)時(shí)可酌情減小其尺寸，避免浪費(fèi)。

(3)因屋架兩端為剛節(jié)點(diǎn)且位于支撐點(diǎn)處，因此屋架兩端應(yīng)力較大，此位置為鋼屋架受力中最不利點(diǎn)。故在實(shí)際工程建設(shè)中，應(yīng)注意加強(qiáng)支撐點(diǎn)處的強(qiáng)度。

(4)因?yàn)殇撐菁荛L(zhǎng)期暴露與空氣當(dāng)中，容易發(fā)生銹蝕。而此工程屋架已發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，銹蝕后，鋼材性能將發(fā)生較大變化，在使用過(guò)程中將有較大的安全隱患，故應(yīng)注采取必要的防銹措施。