對Sugden運(yùn)動中心鋼架的有限元分析

楊帆　于建軍　劉磊

摘 要：Abaqus是一套功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以很好地求解應(yīng)力、位移問題。本文以Sugden運(yùn)動中心體育館門前的三跨鋼架為研究對象，應(yīng)用Abaqus有限元軟件建模，分析了斜撐對于鋼架變形和水平剛度的影響。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；斜撐；Abaqus有限元軟件；水平剛度

鋼結(jié)構(gòu)作為主要的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，廣泛地應(yīng)用于高層建筑及大跨度結(jié)構(gòu)，比如大型的工業(yè)廠房、高層及超高層寫字樓和大跨度的食堂、體育館等。這主要是由于剛材具有比較輕的自重和超高的強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的建筑高度或者較大的結(jié)構(gòu)跨度。現(xiàn)階段我國城市的建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)所占的比例較高。但隨著我國城市化進(jìn)程的加快發(fā)展，城市用地越來越緊張，城市建筑有向高層和超高層發(fā)展的趨勢。居民對文化、體育產(chǎn)業(yè)消費(fèi)的增加也會導(dǎo)致更多的大跨度場館出現(xiàn)。所以鋼結(jié)構(gòu)在我國有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

一、工程概況

Sugden運(yùn)動中心座落于世界聞名的英國曼徹斯特大學(xué)校區(qū)，在Sugden運(yùn)動中心的主入口旁有一三跨的鋼架結(jié)構(gòu)。經(jīng)過實際測量，鋼架的尺寸如圖1所示，每一跨長為6.6m，高為3.0m。梁與柱間為焊接，斜撐與梁柱的連接為螺栓連接，所有連接處的強(qiáng)度與鋼材本身強(qiáng)度相等。

二、有限元模型的建立及材料屬性

本文采用Abquas有限元軟件對此Sugden運(yùn)動中心門前鋼架進(jìn)行二維平面內(nèi)的有限元分析。在有限元模型中，所用的單位為N，m，kg，s。鋼架的材料屬性設(shè)置為E=210kN/mm2，v=0.3，屈服強(qiáng)度為235N/mm2，模型設(shè)置為梁單元。

根據(jù)實際情況，等大小設(shè)置模型的尺寸，梁與柱、柱與基礎(chǔ)連接為剛節(jié)點，斜撐與梁柱間節(jié)點為鉸節(jié)點。

圖1中所標(biāo)示的a-a、b-b、c-c、d-d、e-e截面的尺寸如表1、表2所示，模型的網(wǎng)格大小設(shè)置為0.02m。

三、加載方式和邊界條件

荷載方面，原結(jié)構(gòu)首跨二層上的混凝土廣告牌被當(dāng)做3000N/m的線荷載。屋頂傳下來的豎向荷載被當(dāng)分為兩部分，一部分傳遞到柱子上，每個柱子承受30000N；另一部分為傳遞到鋼架頂部的線荷載，大小為5000N/m。通過位移加載法在A點設(shè)置一個水平向右的0.05m的位移。分析A點的水平受力與位移的關(guān)系以及鋼架整體變形。

四、對比模型

在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉所有斜撐的無斜撐鋼架模型被建立，與原結(jié)構(gòu)模型形成對比，比較、分析斜撐的作用效果。除了去掉所有的斜撐外，建模的其余條件，包括加載方式、大小與原結(jié)構(gòu)模型相同。

五、對有限元計算結(jié)果的分析

通過表3可以看出，同樣在A點0.05m的水平位移下，有斜撐鋼架在A點產(chǎn)生了1106730N大小的水平力，而無斜撐鋼架則產(chǎn)生了510476N大小的水平力。同樣0.05m的位移下，斜撐使A點水平受力增加了116.8%；在0.020313m的位移下，斜撐使A點的水平受力增加了335.9%。由表1、表2可以得出，盡管斜撐的截面面積和截面慣性矩相對于梁和柱子比較小，但在同樣的A點水平位移下，無斜撐鋼架的受力顯著地降低，也就意味著結(jié)構(gòu)水平方向的剛度降低了很多。

六、結(jié)語

本文先對鋼結(jié)構(gòu)的性能、特點及應(yīng)用進(jìn)行了介紹和闡述，而后以sugden運(yùn)動中心門前框架為對象，通過abaqus有限元軟件進(jìn)行了模擬分析，并設(shè)置了兩個對比模型。通過對比可以得出，鋼架結(jié)構(gòu)中的斜撐可以起到很好的提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的作用，并且能夠使豎向承重構(gòu)件更多地參與抵抗水平作用力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟偉.淺談鋼結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用[J].科技風(fēng).2012.

[2] ABAQUS.Abaqus user's Manual[M].2007.

作者簡介：楊帆（1990-），男，碩士研究生，助教。