馬永超　蔡雪峰　張錚　趙劍

(1.土木工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建工程學(xué)院)　福建福州　350118；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院　福建福州　350117)

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輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋有限元計(jì)算分析

馬永超1，2蔡雪峰1張錚1趙劍1

(1.土木工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建工程學(xué)院)福建福州350118；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)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(jì)算和分析了輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋骨架結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移，以及2層及3層輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房的水平側(cè)移。計(jì)算結(jié)果表明，所采用的有限元計(jì)算模型建立方法正確合理，輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋在設(shè)計(jì)荷載作用下的水平側(cè)移能滿足規(guī)范要求。

輕鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)場(chǎng)地要求低、基礎(chǔ)設(shè)置簡(jiǎn)單、拆裝方便和可循環(huán)利用[1]，這些特點(diǎn)漸漸地廣泛應(yīng)用于民用、軍事等領(lǐng)域。臨建房屋較之傳統(tǒng)固定房屋和臨時(shí)工棚，根本區(qū)別在于可以反復(fù)架設(shè)和拆遷，在實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，都具有較大優(yōu)越性。它的建設(shè)速度快，在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、適用性和機(jī)動(dòng)性、工廠化生產(chǎn)等方面具有優(yōu)越性。

目前針對(duì)臨建房屋的研究主要集中在結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面。

一是致力于結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、受力合理，體積小、便于搭設(shè)與拆除的結(jié)構(gòu)形式；

二是努力提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及保溫隔熱性能和減輕結(jié)構(gòu)重量；而對(duì)于已經(jīng)存在并廣泛應(yīng)用的輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋的理論研究卻相對(duì)缺乏。

臨建房屋的設(shè)計(jì)沒有明確的設(shè)計(jì)理論作為指導(dǎo)，現(xiàn)場(chǎng)安裝的質(zhì)量好壞很難做出評(píng)判，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，往往是設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求，結(jié)合自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考一些類似工程的設(shè)計(jì)方案來確定結(jié)構(gòu)方案。

為了對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋進(jìn)行計(jì)算，本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出有限元模型建立方法。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒌恼_性，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展計(jì)算，以分析不同尺寸房屋的水平位移。

1　房屋構(gòu)造

房屋由骨架結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分組成。輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋的骨架結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shí)，首先將基礎(chǔ)梁進(jìn)行固定，再將各構(gòu)件通過螺栓進(jìn)行連接。完成骨架的安裝之后，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yù)留的卡槽之中，之后再用玻璃膠進(jìn)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(jì)算

2.1有限元模型建立

在進(jìn)行單元類型選擇時(shí)，根據(jù)各單元的特點(diǎn)[2]和需要模擬的構(gòu)件的實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋的骨架結(jié)構(gòu)采用BEAM44單元進(jìn)行模擬。交叉支撐使用LINK10單元進(jìn)行模擬，由于斜撐的受力特點(diǎn)將其設(shè)置為僅承受拉力。輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SHELL63單元進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有6個(gè)自由度即：沿著節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x、y、z的平動(dòng)以及沿著節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)SHELL63單元具有大變形及應(yīng)力剛化功能。

輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋的骨架結(jié)構(gòu)采用的鋼材為Q235鋼，屈服強(qiáng)度為235MPa。在建立模型時(shí)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(fù)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(fēng)面及背風(fēng)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(shè)置殼單元時(shí)使其與模擬立柱的梁?jiǎn)卧诠?jié)點(diǎn)處進(jìn)行了垂直板面方向的自由度耦合。為了簡(jiǎn)化將荷載作用面的墻面板視為是一個(gè)整體，通過對(duì)山墻處墻面板及屋面板同一位置重復(fù)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行耦合。

2.2計(jì)算模型驗(yàn)證

模型建立完成之后施加相當(dāng)于0.7kN/m2風(fēng)壓作用下的水平荷載，并將得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[3]進(jìn)行對(duì)比分析。加載如圖2所示。經(jīng)過計(jì)算得到房屋的位移云圖如圖3所示，為了進(jìn)行模型的驗(yàn)證在柱頂選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)其水平位移進(jìn)行比較，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，整體結(jié)構(gòu)在荷載作用下最大的水平位移發(fā)生在迎風(fēng)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(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。表中數(shù)據(jù)可以看出理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)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(yàn)值對(duì)比

2.3計(jì)算分析

在進(jìn)行兩層房屋建模時(shí)，按照單層房屋的建模方法進(jìn)行。首先對(duì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)中個(gè)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(shí)將其與立柱連接的單元進(jìn)行釋放形成鉸接，桁架內(nèi)部各構(gòu)件之間為固接。整體結(jié)構(gòu)模型在骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立，殼單元節(jié)點(diǎn)與梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)的耦合方法與單層房屋建模時(shí)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(jì)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(jié)構(gòu)的位移云圖可以看出，在0.7kN/m2的風(fēng)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(jié)構(gòu)中迎風(fēng)面和背風(fēng)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(duì)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的柱頂?shù)娜菰S最大側(cè)移為H/60=96.6mm(H=8 700mm)，滿足該規(guī)范對(duì)側(cè)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的柱頂?shù)娜菰S最大側(cè)移為H/60=145.0mm(H=8 700mm)，滿足該規(guī)范對(duì)側(cè)移的要求。

3　結(jié)論

(1)輕鋼結(jié)構(gòu)臨建房屋的有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)臨建房屋的柱頂側(cè)移，能夠滿足《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)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(dòng)房屋的極限承載力研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，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(jié)構(gòu)臨建房屋靜力性能試驗(yàn)研究[J].西安：建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 47(4): 531～536,548.

馬永超(1987-)，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師。

蔡雪峰(1956-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大跨結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與信息化方面的工作。

張錚(1978.9-),男，副教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)方面的工作。

趙劍(1988.5-),男，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478119)；福建省級(jí)科技廳重大項(xiàng)目(2013H6003)

馬永超(1987-)，男，助理實(shí)驗(yàn)師。

E-mail:mayongchao@fjut.edu.cn

2015-12-18

TU391

A

1004-6135(2016)02-0053-03