鋼結(jié)構(gòu)屋架簡化為排架計算的有限元驗證

2016-05-28 16:51:06陳浩恩

科技與創(chuàng)新 2016年10期

陳浩恩

摘要：通過分析、研究鋼結(jié)構(gòu)鉸接排架得出，在設計過程中，通常將鋼結(jié)構(gòu)屋架簡化為排架來計算，即假設鋼結(jié)構(gòu)屋架的剛度EA無窮大。通過應用有限元軟件ANSYS分析鋼結(jié)構(gòu)屋架的位移，驗證此種替代方法的可行性。

關鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)屋架；排架；有限元驗證；位移

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：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，且柱與橫梁為鉸接、與基礎為剛接的結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)屋架（以下簡稱“鋼屋架”）設計的過程中，為了簡化計算，采用排架進行設計。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。雖然這種假設簡化了計算過程，但按排架計算的結(jié)果與實際結(jié)果是否一致，還有待考究。本文以此為出發(fā)點，應用有限元軟件ANSYS對兩種不同的鋼屋架通過在節(jié)點處加水平位移的方法進行分析，驗證簡化計算的可行性。

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：單層單跨梯形鋼屋架，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L50 m×5 m。

廠房二：單層單跨三角鋼屋架，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L50 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對鋼結(jié)構(gòu)進行有限元分析。在ANSYS中有許多單元類型及建模方式供選擇，這里均采用BEAM188對所有結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進行劃分。該單元是兩節(jié)點三維空間線性單元，每個節(jié)點分別有3個平動和3個轉(zhuǎn)動自由度，共6個自由度。

1.3 單元劃分

按單元尺寸0.1 m對兩種結(jié)構(gòu)進行網(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，方向為正。

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，研究鋼屋架各關鍵點處的位移變化量。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)各關鍵點的位移值分別如表1和表2所示（以坐標軸正向為正）。

3 結(jié)論