變溫應力對某鋼結構廠房影響的數值分析

薛寶東 齊永勝

華北地區某門式剛架鋼結構車間在冬季施工,當時日平均氣溫為-10℃,而當地夏季氣溫常可達35℃左右。由于門式剛架是超靜定結構,溫度的季節性變化將不可避免地造成變溫應力,此應力對結構有無明顯的影響,是否需在設計階段采取措施進行處理,便成為一個需要解決的問題。本文采用數值分析方法對該車間門式剛架在季節溫差作用下的力學反應進行了分析,解決了這一問題,保證了結構的安全施工和正常使用,所用分析軟件為ANSYS11.0。

1 門式剛架有關數據

本文中的門式剛架如圖1所示,跨度為18 m,檐口高度為6 m,屋面坡度為1∶15,車間柱距為6 m。門式剛架梁、柱采用等截面形式,梁、柱截面為焊接H型鋼,規格均為 250×250×9×14。柱腳為固端約束,梁與柱為剛接。鋼架采用Q235b鋼材,彈性模量為2.06×105MPa,其密度為7 850 kg/m3,溫度線膨脹系數為12×10-6。屋面活荷載取為0.5 kN/m2,恒荷載為0.4 kN/m2,基本風壓為0.4 kN/m2,溫差取為35+10=45℃。

2 有限元模型和變溫作用

剛架梁和柱都采用Beam3單元(如圖2所示),單元的實常量用ANSYS軟件的section功能計算得到,手工填入命令流文件,每個構件劃分為20個單元。施加荷載時,在各單元的 T1,T2,T3和T4位置處施加45℃的溫度荷載,以模擬門式剛架所受的變溫作用。為保證求解精度,計算時打開大變形開關,并取100個子步數進行計算。

3 溫度荷載的計算結果

3.1 變形和位移

在45℃變溫作用下,由于柱腳剛接于不能移動的基礎,柱腳之間的距離保持不變,鋼梁則暴露于環境中與環境保持相同溫度,在溫度升高的情況下,發生伸長現象,向外側推動剛架柱,使之發生側向彎曲變形。放大100倍的結構變形如圖3所示,剛架變形呈軸對稱形式,結構的最大位移的具體數據見表1。從表1中的數據可以看出,相對于剛架本身的幾何尺寸而言,變溫作用所產生的位移是非常小的,由此產生的二階效應可以忽略不計,故可按線彈性分析方法進行設計。

表1 變溫作用下剛架的最大水平和豎向位移 mm

3.2 應力

在變溫作用下,與上述結構變形相對應的正應力如圖4所示:剛架的最大拉應力和最大壓應力都出現在柱根部位,柱根截面內側受拉、外側受壓,最大拉、壓應力分別是+10.808 MPa和-10.808 MPa;斜梁上最大拉應力和最大壓應力出現在屋脊處的單元,截面上外側受拉、內側受壓,最大拉、壓應力分別是+3.312 MPa和-3.720 MPa。這表明本工程中的門式剛架在變溫作用下產生的溫度應力最大,相當于Q235鋼材屈服強度的4.60%,在結構設計中應當予以適當的考慮,最簡便的方法便是考慮變溫應力的大小留出適當的承載力儲備,應當避免把材料用得過于充分的做法,這是出于兩方面的考慮:1)避免由于變溫應力同其他荷載的共同作用,使得結構最大應力部位局部進入塑性工作狀態,導致彈性分析的結果與結構實際的工作狀態(彈塑性狀態)存在較大差別;2)避免使結構安全儲備過小,在某些不利因素作用下發生危險,造成生命財產的損失。本工程中,在設計中留有較充分的儲備,可使結構在正常工作的同時承受變溫應力的作用,保證了結構的安全性,并且沒有顯著增加設計的工作量。

4 結語

1)本文結構中的門式剛架在45℃變溫作用下,位移和變形很微小,可以忽略二階效應,按線彈性方法進行分析,以簡化設計。2)本文結構中溫度荷載產生的溫度應力大約相當于鋼材屈服強度的4.60%,在結構設計中應該予以適當的考慮,最簡便的方法便是考慮變溫應力的大小適當留出承載力儲備,至少要保證鋼材屈服應力與結構最高應力值(未考慮變溫作用影響的分析結果,取絕對值)的差值大于溫度應力(絕對值),在這個前提下,可采用線彈性分析方法進行設計,并且可以不另外考慮變溫作用的影響。3)變溫作用對門式剛架的影響與剛架的跨度、高度、跨數、截面形式和尺寸等諸多因素有關。在某些算例中,變溫應力可能達到鋼材屈服強度的10%以上,不容忽視。所以,若結構可能承受較大的變溫作用,結構設計時應對其影響做具體分析,以確定其對于工程的影響,并采取相應措施,不可盲目套用其他工程的做法,以免因對溫度效應估計不足而給工程留下隱患。

[1] 張其林.輕型門式剛架[M].濟南:山東科學技術出版社,2006.

[2] CECS 102∶2002,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[3] 閆桂森,陳 旭.設計鋼結構廠房應注意的問題[J].山西建筑,2008,34(5):108-109.

[4] 童根樹.鋼結構的平面內穩定[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.