輕鋼結構臨建房屋有限元計算分析

馬永超　蔡雪峰　張錚　趙劍

(1.土木工程學院重點實驗室(福建工程學院)　福建福州　350118；2.福州大學土木工程學院　福建福州　350117)

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輕鋼結構臨建房屋有限元計算分析

馬永超1，2蔡雪峰1張錚1趙劍1

(1.土木工程學院重點實驗室(福建工程學院)福建福州350118；2.福州大學土木工程學院福建福州350117)

基于有限元分析軟件Ansys提出了有限元模型建立方法，計算和分析了輕鋼結構臨建房屋骨架結構的水平側移，以及2層及3層輕鋼結構臨建房的水平側移。計算結果表明，所采用的有限元計算模型建立方法正確合理，輕鋼結構臨建房屋在設計荷載作用下的水平側移能滿足規(guī)范要求。

輕鋼結構臨建房屋;水平位移;有限元分析(FEA)

0　引言

臨建房屋的歷史可以追溯到古代，起源于民間，由于其具有結構簡單、對場地要求低、基礎設置簡單、拆裝方便和可循環(huán)利用[1]，這些特點漸漸地廣泛應用于民用、軍事等領域。臨建房屋較之傳統(tǒng)固定房屋和臨時工棚，根本區(qū)別在于可以反復架設和拆遷，在實用性和經(jīng)濟指標上，都具有較大優(yōu)越性。它的建設速度快，在標準化設計、適用性和機動性、工廠化生產(chǎn)等方面具有優(yōu)越性。

目前針對臨建房屋的研究主要集中在結構和材料兩個方面。

一是致力于結構形式簡單、受力合理，體積小、便于搭設與拆除的結構形式；

二是努力提高結構強度以及保溫隔熱性能和減輕結構重量；而對于已經(jīng)存在并廣泛應用的輕鋼結構臨建房屋的理論研究卻相對缺乏。

臨建房屋的設計沒有明確的設計理論作為指導，現(xiàn)場安裝的質量好壞很難做出評判，驗收標準也沒有明確的標準依據(jù)，往往是設計者根據(jù)設計方案的要求，結合自身的設計經(jīng)驗，參考一些類似工程的設計方案來確定結構方案。

為了對輕鋼結構臨建房屋進行計算，本文在試驗研究的基礎上提出有限元模型建立方法。將計算結果與試驗結果相驗證，以檢驗模型建立的正確性，并在此基礎上擴展計算，以分析不同尺寸房屋的水平位移。

1　房屋構造

房屋由骨架結構和圍護結構兩部分組成。輕鋼結構臨建房屋的骨架結構構件是由冷彎薄壁內(nèi)卷邊型鋼(冷彎薄壁C型鋼)組成。安裝時，首先將基礎梁進行固定，再將各構件通過螺栓進行連接。完成骨架的安裝之后，進行圍護結構安裝。在兩根立柱之間的墻體有3塊墻面板組成，墻面板直接插在柱截面預留的卡槽之中，之后再用玻璃膠進行嵌縫處理，墻面板安裝如圖1所示。墻面板采用50mm厚的彩鋼夾芯板，其中內(nèi)外均為0.326mm厚的Q235彩鋼板，中間為聚苯乙烯夾芯層。

2　有限元建模計算

2.1有限元模型建立

在進行單元類型選擇時，根據(jù)各單元的特點[2]和需要模擬的構件的實際情況進行綜合考慮。對于輕鋼結構臨建房屋的骨架結構采用BEAM44單元進行模擬。交叉支撐使用LINK10單元進行模擬，由于斜撐的受力特點將其設置為僅承受拉力。輕鋼結構臨建房屋的圍護結構采用SHELL63單元進行模擬，該單元具有薄膜及彎曲特性，能夠承受法向荷載和平面內(nèi)荷載。SHELL63單元有4個節(jié)點，每一個節(jié)點均具有6個自由度即：沿著節(jié)點坐標系x、y、z的平動以及沿著節(jié)點坐標系x軸、y軸、z軸的轉動。同時SHELL63單元具有大變形及應力剛化功能。

輕鋼結構臨建房屋的骨架結構采用的鋼材為Q235鋼，屈服強度為235MPa。在建立模型時BEAM44單元的彈性模量定義為206GPa，泊松比定義為0.3，密度定義為7.85g/cm3。LINK10單元采用相同的材料特性。復合屋面板和墻面板的材料特性采用折算后的數(shù)值，考慮到前面板平面外在水平荷載作用下受彎，而山墻處墻面板在荷載作用下在平面內(nèi)發(fā)生剪切，因此通過改變彈性模量來區(qū)別兩者的工作性能。迎風面及背風面折算后的彈性模量為42 000N/mm2，泊松比為0.35，厚度為40mm，密度為12kg/m3；山墻處及屋面板殼單元的算后的彈性模量為9.5N/mm2，泊松比為0.35，厚度為40mm，密度為12kg/m3。

考慮到墻面板邊緣與立柱在垂直墻面板面方向上發(fā)生的共同位移，在設置殼單元時使其與模擬立柱的梁單元在節(jié)點處進行了垂直板面方向的自由度耦合。為了簡化將荷載作用面的墻面板視為是一個整體，通過對山墻處墻面板及屋面板同一位置重復節(jié)點的耦合，模擬墻面板或屋面板之間連接形成的縫隙。山墻處墻面板及屋面板，在垂直于板面方向的自由度進行耦合。

2.2計算模型驗證

模型建立完成之后施加相當于0.7kN/m2風壓作用下的水平荷載，并將得到的計算結果與試驗結果[3]進行對比分析。加載如圖2所示。經(jīng)過計算得到房屋的位移云圖如圖3所示，為了進行模型的驗證在柱頂選取4個測點對其水平位移進行比較，測點位置如圖4所示。

計算結果顯示，整體結構在荷載作用下最大的水平位移發(fā)生在迎風面墻面板的中上部位。墻面板沿著荷載作用方向發(fā)生了彎曲。試驗結果與理論計算結果對比如表1所示。表中數(shù)據(jù)可以看出理論計算與試驗結果誤差在5%以內(nèi)(在允許范圍之內(nèi))，說明了模型的正確性。

表1　理論值與試驗值對比

2.3計算分析

在進行兩層房屋建模時，按照單層房屋的建模方法進行。首先對骨架結構進行建模，結構中個單元的材料特性采用單層房屋模型中的特性，截面特征同樣不發(fā)生改變；建立樓面桁架時將其與立柱連接的單元進行釋放形成鉸接，桁架內(nèi)部各構件之間為固接。整體結構模型在骨架結構的基礎上建立，殼單元節(jié)點與梁單元節(jié)點的耦合方法與單層房屋建模時相同。兩層及3層房屋的模型及加載情況如圖5所示。

經(jīng)過計算得到兩層及3層房屋的水平位移云圖如圖6、圖7所示。從整體結構的位移云圖可以看出，在0.7kN/m2的風荷載作用下，屋面檁條和立柱均發(fā)生了明顯的彎曲。整體結構中迎風面和背風面墻面板出現(xiàn)了較明顯的彎曲，而山墻處的墻面板的位移相對較小。

兩層房屋最大水平位移為35.0mm是柱高的1/165，如按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》規(guī)定的柱頂?shù)娜菰S最大側移為H/60=96.6mm(H=8 700mm)，滿足該規(guī)范對側移的要求。3層房屋最大位移為62.6mm是柱高的1/139，如按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》規(guī)定的柱頂?shù)娜菰S最大側移為H/60=145.0mm(H=8 700mm)，滿足該規(guī)范對側移的要求。

3　結論

(1)輕鋼結構臨建房屋的有限元模型計算結果與試驗結果最大誤差僅為5%，滿足精度要求；所提出的有限元模型建立方法和單元的選擇合理。

(2)通過有限元分析，兩層及3層輕鋼結構臨建房屋的柱頂側移，能夠滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》中的規(guī)定要求。

[1]楊璐.考慮初始缺陷的輕型鋁合金活動房屋的極限承載力研究[D].西安：長安大學，2008.

[2]ANSYS，Inc：ANYS Help，SAS IP.INC， 2000.

[3]張錚，蔡雪峰，馬永超，周繼忠. 輕鋼結構臨建房屋靜力性能試驗研究[J].西安：建筑科技大學學報, 2015, 47(4): 531～536,548.

馬永超(1987-)，男，碩士，助理實驗師。

蔡雪峰(1956-)，女，教授，碩士生導師，主要從事大跨結構施工技術與信息化方面的工作。

張錚(1978.9-),男，副教授，主要從事鋼結構方面的工作。

趙劍(1988.5-),男，助理實驗師，主要從事鋼與混凝土組合結構方面的工作。

Finite Element Analysis on Light Steel Temporary Buildings

MAYongchao1,2CAIXuefeng1ZHANGZheng1ZHAOJian1

(1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering (School of Civil Engineering), Fujian University of Technology, Fuzhou 350118；2.College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350117)

The finite element analysis model about light steel temporary buildings was proposed. Lateral displacement under design load of the frame structure was solved out by these finite element models.By this method a monolayer frame structure and a duplex frame structure and a trilaminar frame structure model was set up. Lateral displacement expression under load of the structure was solved out. Calculation results show that the finite element model establishment method is correct and reasonable, meanwhile the lateral displacement of light steel structure buildings under design load can meet the requirement of the specification.

Light steel temporary building; Horizontal displacement; Finite Element Analysis (FEA)

國家自然科學基金項目(51478119)；福建省級科技廳重大項目(2013H6003)

馬永超(1987-)，男，助理實驗師。

E-mail:mayongchao@fjut.edu.cn

2015-12-18

TU391

A

1004-6135(2016)02-0053-03