基于SolidWorks的裝配式貝雷架結(jié)構(gòu)房屋框架的機(jī)械設(shè)計(jì)

傅海勇，梁建林，胡清根

（1.廣東穗名光電有限公司，廣東 佛山528329；2.江西農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，江西 樟樹331200）

0 引言

近年來，裝配式結(jié)構(gòu)房屋得到國(guó)家的大力推廣，目前的傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)房屋框架大都是集裝箱改進(jìn)而來，主要依靠四個(gè)立柱存在受力不均勻的現(xiàn)象，并不能較好地與房屋功能相結(jié)合。本文提出：以可裝配式為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合貝雷架的原理，采用SolidWorks軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，通過三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行采購(gòu)物料加工樣板，并對(duì)其加工出的樣板進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試。

1 建立房屋框架三維模型

貝雷架也稱為“裝配式公路鋼橋”，原名叫“321”公路鋼橋，貝雷架是形成一定單元的鋼架，可以用它拼接組裝成很多構(gòu)建，本文提出裝配式結(jié)構(gòu)房屋框架利用貝雷架的結(jié)構(gòu)原理通過SolidWorks進(jìn)行三維建模，運(yùn)用了拉伸，切除，掃描等建模特征得到1.45m×0.3m×0.1m的貝雷架組件[1]，如圖1所示。具體建模步驟為：

圖1 貝雷架組件

（1）調(diào)入SolidWorks標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里4條1.45m5#號(hào)槽鋼，裝配好各4條槽鋼的位置后在槽鋼配合間隙中間拉伸一條長(zhǎng)0.3m/20mm×20mm的方鋼，通過兩端截面繪出拉力鋼板，然后在拉力鋼板和20mm×20mm方鋼面上描出一條斜口20mm×20mm方鋼，通過鏡像命令到另一端，形成三角結(jié)構(gòu)力的貝雷架組件[3]；

（2）調(diào)用SolidWorks標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里2條6m長(zhǎng)12#槽鋼和2條3 m長(zhǎng)槽鋼進(jìn)行尺寸裝配，形成一個(gè)長(zhǎng)6m寬3 m臺(tái)階式結(jié)構(gòu)底架；

（3）裝配4條長(zhǎng)度3.5m100mm×100mm方鋼立柱，四根立柱分別約束到臺(tái)階式底架的四個(gè)對(duì)角處；

（4）將步驟（1）里裝配好的貝雷架橫向陣列出四個(gè)貝雷架后約束到四根方鋼立柱頂部，通過鏡像命令鏡像出第二列橫向四個(gè)貝雷架；

（5）將步驟（1）里裝配好的貝雷架豎向陣列出兩個(gè)貝雷架后約束到四根方鋼立柱頂部，通過鏡像命令鏡像出第二列豎向兩個(gè)貝雷架；

（6）分別裝配入四個(gè)L型拉鐵到貝雷架槽鋼的頂部各對(duì)角處；

（7）裝配貝雷架連接鋼片到貝雷架各連接處，然后在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里調(diào)入螺栓配合到鋼片和各貝雷架連接孔位。

由以上步驟可得到一個(gè)L6×W3×H3.5m的框架房屋，房屋頂部為貝雷架連接環(huán)繞組成，四周四根方鋼立柱支撐，底部由4條12#槽鋼配合形成的三維模型，如圖2所示。

圖2 房屋框架三維模型

1.1 房屋框架的連接

為了縮小運(yùn)輸空間和節(jié)約運(yùn)輸成本，同時(shí)便于后期的安裝和拆卸，全部采用了螺栓對(duì)穿鎖緊固定配合方式，具體為：

（1）貝雷架與貝雷架之間連接利用螺栓對(duì)穿槽鋼、鋼板夾緊固定，有較強(qiáng)的牢固性和剛性強(qiáng)度；

（2）立柱與貝雷架之間連接穿透方鋼立柱到貝雷架兩端鋼板鎖緊固定；方鋼立柱采用上下錯(cuò)位開孔有效避開螺栓干涉問題，從而達(dá)到框架整體的形成；

（3）頂部四邊利用折彎成型的L型鈑金件進(jìn)行對(duì)角校正，保證房屋垂直度與平行度；

（4）貝雷架與立柱連接處底焊接三角承重架，一定程度上減少立柱頂部對(duì)穿螺絲的拉力，減輕立柱方鋼的螺栓接觸面受力，預(yù)防因拉力過大造成方鋼凹陷或變形；

（5）底部槽鋼運(yùn)用臺(tái)階式錯(cuò)交對(duì)穿螺栓鎖緊固定，利用槽鋼橫縱疊加方式固定到方鋼立柱底部形成框架對(duì)角結(jié)構(gòu)；

（6）在上下槽鋼的銜接重合處開孔穿透螺栓對(duì)穿鎖緊，增加底部剛性強(qiáng)度與垂直度，在頂部與底部布置了角鋼平鋪，通過頂部、底部槽鋼腿邊開孔螺栓連接在方鋼上形成連接，便于后期組裝時(shí)鋪板裝簧[2]。

2 裝配式貝雷架結(jié)構(gòu)房屋框架的強(qiáng)度分析

裝配式房屋運(yùn)用SolidWorks simulation做有限元靜應(yīng)力分析，材料選用國(guó)標(biāo)Q235B槽鋼與方鋼進(jìn)行網(wǎng)格劃分求解仿真，在求解模擬仿真過程中為了準(zhǔn)確性，選取材料時(shí)要設(shè)定好材料Q235B槽鋼的密度7.85g/cm3，彈性模量E為200～210GPa，屈服強(qiáng)度為235（厚度或直徑小于等于16mm），抗拉強(qiáng)度σb為370～500MPa，Q235B槽鋼作為市面上通用承重鋼材占有重要地位，有較好的焊接、鉚接性能及綜合機(jī)械性能，在選定材料時(shí)尤為重要，標(biāo)準(zhǔn)件槽鋼便捷性于靈活搭配各類鋼材，并且在后期量產(chǎn)時(shí)方便供應(yīng)鏈支持，所用的緊固件選取SolidWorks Toolbox標(biāo)準(zhǔn)件云庫(kù)的六角螺栓，其物理參數(shù)與實(shí)際參數(shù)一致，有效保證了分析過程運(yùn)算的材料準(zhǔn)確性。

SolidWorks simulation在做分析時(shí)進(jìn)行固定底部槽鋼后，房屋載荷在貝雷架頂部由上往下施加4t重力，各項(xiàng)材料間設(shè)定全局結(jié)合連接，設(shè)置好螺栓固定和各貝雷架焊接設(shè)定后，網(wǎng)格劃分密度設(shè)定長(zhǎng)10mm寬10mm的有效密度，通過simulation網(wǎng)格劃分后進(jìn)行FFEPlus解算器求解分析出應(yīng)力云圖，在受到重力下壓時(shí)發(fā)生材料形變得到屈服強(qiáng)度達(dá)2.206e+08（圖3），頂部貝雷架最大位移量13.23mm（圖4）；橫向貝雷架中間跨度較大，受力位移應(yīng)變最為明顯，于是在貝雷架兩端滿焊鋼板加強(qiáng)貝雷架橫向阻力面積以有效防止重力不均衡而坍塌；在貝雷架橫向受力比較大的同時(shí)，貝雷架兩端方鋼處受壓明顯，故在頂部立柱處焊接三角承重架來減輕立柱螺栓的重力下垂，縱向貝雷架最大位移量3.28mm，四根立柱無彎曲無傾斜，承重良好，四根方鋼立柱固定處螺栓受力無變形，整體貝雷架房屋架構(gòu)結(jié)實(shí)穩(wěn)固。

圖3 應(yīng)力分布圖

圖4 受力位移量

3 制作房屋框架樣板

3.1 樣板制作工藝

裝配式房屋貝雷架運(yùn)用激光定位開料開孔制作，其精準(zhǔn)度較高，槽鋼的孔距和開孔大小的公差能較好地把握，避免開孔不準(zhǔn)導(dǎo)致后期裝配困難；激光切割機(jī)比普通手工開料切割機(jī)優(yōu)點(diǎn)甚多，普通切割機(jī)開料尺寸偏差大，切口不平、毛刺披風(fēng)大造成焊接難度加大，組裝尺寸不匹配等難點(diǎn)，在焊接時(shí)進(jìn)行工裝夾具定位焊接，有效保證了貝雷架整體的精密度，確保每個(gè)貝雷架的長(zhǎng)度孔距等尺寸一致，便于后面的組裝和操作。焊接結(jié)束后，需要打磨去焊渣，避免焊渣刮手或影響到孔位的栓接，也保證了產(chǎn)品的美觀程度。

3.2 樣板組裝

貝雷架房屋組裝時(shí)采取從下往上裝配進(jìn)行：（1）先將底部長(zhǎng)槽鋼和短槽鋼上下孔螺栓穿透連接；（2）固定好底部主體后，把周圍四根方鋼立起貼到底部槽鋼對(duì)角交叉處，將螺栓穿過方鋼和槽鋼螺栓固定；（3）固定后方鋼后借助腳手架先將短邊貝雷架兩端焊接鋼片孔位對(duì)齊方鋼頂部螺絲孔，然后把螺栓穿過方鋼對(duì)接到鋼片鎖緊固定，先鎖上面的孔，后鎖下面的孔，避免貝雷架旋轉(zhuǎn)掉頭；（4）同理，固定好短邊貝雷架再固定長(zhǎng)邊貝雷架，固定到第三、第四個(gè)貝雷架時(shí)需要用木棒頂住貝雷架底部，慢慢調(diào)整貝雷架孔位與方鋼孔位對(duì)齊后螺栓固定鎖緊；（5）固定完所有貝雷架后將折彎成型的L型鈑金件對(duì)齊貝雷架上端槽鋼開孔處鎖緊固定，拉住貝雷架對(duì)角的連接處；（6）將開好孔的角鋼逐一固定在貝雷架上端槽鋼開孔處，形成整體的框架。

4 房屋框架樣板的測(cè)試

在裝配好貝雷架房屋后利用現(xiàn)場(chǎng)車間的行吊往貝雷架房屋頂部掛壓已過磅好的鋼片，承重位置在橫向貝雷架中間分析時(shí)受力弱點(diǎn)處，隔空懸掛重力下壓，重量達(dá)4.1t，在受壓后的貝雷架有輕度下垂，在靜應(yīng)力分析位移量的數(shù)值范圍內(nèi)，證明實(shí)驗(yàn)與分析無誤，四立柱間并無任何變化，貝雷架與槽鋼連接處受力良好且無異常歪曲，整體房屋結(jié)構(gòu)牢固無擺動(dòng)，如圖5所示。

圖5 房屋框架樣板的測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

利用貝雷架原理對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)房屋框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可承受4.1t的重量，受壓后的貝雷架有輕度下垂，在靜應(yīng)力分析位移量的數(shù)值范圍內(nèi)，從而使得利用貝雷架原理來進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)房屋框架設(shè)計(jì)受力更加均勻，更加適合應(yīng)用在快速搭建，臨時(shí)組合的用房場(chǎng)所。