任 旭（貴州理工學(xué)院,貴陽 550003）

空腹混凝土網(wǎng)架有限元計算
——撓度分析

任 旭
（貴州理工學(xué)院,貴陽 550003）

以新三亞火車站預(yù)應(yīng)力混凝土空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為例，應(yīng)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，用空間梁單元模擬該混凝土空腹網(wǎng)架，詳細(xì)了解混凝土空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)隨著荷載的增加其撓度大小及發(fā)展。從結(jié)構(gòu)撓度方面，掌握該結(jié)構(gòu)的安全儲備，對該混凝土空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性做客觀評述。

ANSYS；混凝土空腹網(wǎng)架；撓度；經(jīng)濟(jì)性

1 研究背景

以三亞火車站預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實際工程為背景，通過有限元模擬來研究預(yù)應(yīng)力混凝土空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力及變形，并對結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生，開展及結(jié)構(gòu)超過正常使用狀態(tài)允許的裂縫寬度值、撓度全過程進(jìn)行檢測。但是由于有限元分析過程中，在加載至21.26KN/m2后，結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形仍然較小，不明顯。于此，在模型中去掉預(yù)應(yīng)力的作用，分析混凝土空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度的發(fā)展。

2 有限元模型

2.1 建立有限元模型

以三亞火車站為實例，建立有限元模型時，為簡化計算，僅建立的4軸到6軸二層樓板及其豎向支撐構(gòu)件的混凝土空腹網(wǎng)架部分，模型結(jié)構(gòu)中心對稱，并未考慮此處結(jié)構(gòu)與其它部分結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。由于本模型中考慮樓板側(cè)向剛度較大，且不考慮風(fēng)荷載作用，故僅建立此部分結(jié)構(gòu)模擬實體工程對分析整體空腹混凝土網(wǎng)架樓板無明顯影響。但由于實際工程中梁與樓板協(xié)同作用，對此處中梁剛度有提高作用，對于模型中空腹混凝土網(wǎng)架的邊梁不考慮剛度提高，因此會存在一定的影響，故建立局部模型也有一定的局限性。該空腹混凝土網(wǎng)架周邊8點支承，橫向36m、縱向32m，3.0m×3.2m的網(wǎng)格。模型如圖1所示。

2.2 單元網(wǎng)格劃分

本論文中，混凝土空腹網(wǎng)架的兩向正交桁架上下弦桿、腹桿及柱采用Beam188空間梁單元進(jìn)行模擬，空腹網(wǎng)架上現(xiàn)澆板采用殼單元進(jìn)行模擬。

2.3 邊界條件與加載方式

ANSYS有限元模型中，框架柱柱底直接與基礎(chǔ)相連，故有限元分析中柱底采用剛性連接，約束3個方向的平動自由度及3個方向的轉(zhuǎn)動自由度，在殼單元上施加面荷載。

有限元分析中，根據(jù)空腹混凝土網(wǎng)架加載方案，對有限元模型進(jìn)行加載。在有限元分析時，進(jìn)行較多次數(shù)的加載。在此重點分析在1級荷載自重、2級荷載3.5KN/m2、3級荷載9.8KN/m2、4級荷載16.49KN/m2作用下的撓度。

3 撓度分析

3.1 撓度結(jié)果

通過有限元分析，圖2分別為在設(shè)計荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形云圖。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，測點A0~A8的撓度值如表1所示。圖3、圖4分別為加載至2級（3.5KN/m2）、4級（16.49KN/m2）測點撓度圖。

表2 試驗設(shè)計荷載下測點撓度 單位：mm

（注：表中自重為15.45KN/m2，設(shè)計外荷載為3.5KN/m2）

3.2 撓度結(jié)果分析

表1為設(shè)計荷載3.5KN/m2以及繼續(xù)加載至16.49KN/m2作用下測點撓度值。根據(jù)理論計算結(jié)果，可以得出以下一些特點。

（1）由于有限元模型中心對稱，最大撓度均產(chǎn)生于樓板中心位置，撓度由跨中向支座位置逐漸減小，與樓蓋實際工作情況相符。

（2）自重作用下，樓板結(jié)構(gòu)的最大撓度為27.48mm，設(shè)計荷載（恒載及活載）作用下，樓板結(jié)構(gòu)的最大撓度為31.34mm.。表2可以看出，設(shè)計荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形很小，最大撓度小于規(guī)范允許值106.67mm（短跨長度/300），說明該結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下?lián)隙葷M足正常使用要求。

（3）在加載值超過設(shè)計荷載12.99KN/m2后，樓板結(jié)構(gòu)的最大撓度為45.40mm，不足最大撓度小于規(guī)范允許值的1/2。由此從結(jié)構(gòu)的撓度方面來看，該樓板結(jié)構(gòu)的富余度過大，不經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)論

該預(yù)應(yīng)力混凝土空腹樓板在去掉預(yù)應(yīng)力后，撓度變化與其實際的工作情況相符。另外，在無預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載以及加載至16.49KN/m2后，撓度仍然較小，發(fā)展也較為緩慢。由此從結(jié)構(gòu)的撓度方面來看，該樓板結(jié)構(gòu)的富余度過大，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，從撓度大小及發(fā)展方面考慮，設(shè)計中該混凝土空腹樓板結(jié)構(gòu)可以不用施加預(yù)應(yīng)力仍然能滿足最大撓度的要求。另外還需要從結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面考慮是否滿足要求，在此還未做應(yīng)力分析，故論文還存在局限性。

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[3]盧勉志,高博青.空腹網(wǎng)架與樓蓋共同作用下的受力性能分析[J].浙江建筑,1994(05).

任旭，研究方向：結(jié)構(gòu)工程大跨空間結(jié)構(gòu)。