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        基于有限元法的鋼結構屋架節(jié)點受力分析

        2019-09-20 09:59:42林紅星安徽中亞鋼結構工程有限公司
        安徽科技 2019年8期
        關鍵詞:屋架桿件型鋼

        文/林紅星(安徽中亞鋼結構工程有限公司)

        2018年底,住房和城鄉(xiāng)建設工作會議提出大力發(fā)展鋼結構等裝配式建筑,加快完善裝配式建筑技術和標準體系。裝配式鋼結構由主體鋼結構、圍護結構等建筑部品組成,各部品在工廠加工制作,在施工現(xiàn)場實現(xiàn)模塊化安裝。該結構具有抗震性能好、重量輕、施工快捷、綠色環(huán)保等優(yōu)點。輕鋼結構建筑中屋面通常做成坡屋面,常見于多層居住建筑、舊屋面改造、臨時建筑設施等項目中,既能豐富建筑立面,防滲防漏,保溫隔熱,又可以改善頂層的居住環(huán)境,提高整個建筑空間的利用率。坡屋面通常分為單坡、雙坡、四坡等形式,采用鋼屋架建造的坡屋頂重量輕、防水性能好、保溫節(jié)能,可滿足不同建筑屋面造型的需要。

        一、工程概況

        工程項目為裝配式鋼結構建筑,主體結構兩層,多坡屋面,建筑坡度約23 度,結構體系為鋼框架結構,樓板為預制疊合樓板,外圍護墻板為薄壁型鋼骨架輕質混凝土復合板[1]。鋼屋架由多個桁架現(xiàn)場拼接而成,如圖1 所示,其中編號為1 的屋架為主屋架,屋面板考慮兩種方案。

        方案一:模塊化屋面。采用薄壁型鋼骨架輕質混凝土復合板,將屋面分塊制作薄壁型鋼骨架,再將ALC 板通過自攻釘固定在骨架上[2],整個屋面板實行模塊化設計,工廠加工制作,現(xiàn)場安裝時通過多個節(jié)點連接件與鋼屋架機械連接,安裝較為便捷,能減少施工現(xiàn)場濕作業(yè)量。

        圖1 鋼屋架平面圖

        方案二:整體式屋面,即現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面。現(xiàn)澆屋面的支撐仍采用薄壁型鋼骨架,骨架安裝好后再澆注混凝土?,F(xiàn)澆屋面作為一種常規(guī)屋面,適用性強、整體性好,具有良好的防水防滲性能。

        鋼屋架使用矩形鋼管設計,與二層鋼框架梁頂螺栓連接,能夠同時滿足上述兩種屋面板方案的要求。屋架上下弦桿和拼接處立柱截面均為100mm×50mm、厚度為3.0mm,腹桿截面為80mm×40mm、厚度為3.0mm,材料為Q235。方案一屋面恒載為1.5kN/m2,方案二屋面恒載為2.5kN/m2,屋面活載為0.6 kN/m2,基本風壓為0.35 kN/m2,考慮水平地震作用,抗震設防烈度為7 度(0.1g),設計地震分組為第一組。

        二、鋼屋架整體受力分析

        本工程屋面為多坡屋面,結構形式較為復雜,采用單榀平面設計不能準確計算屋架的受力情況,需使用空間受力模型計算分析。薄壁型鋼骨架采用點支撐式與鋼屋架連接,支撐點位于桁架腹桿與上弦桿的交點,屋面荷載通過節(jié)點傳遞至屋架。使用3D3S 中的空間任意結構整體建模,能夠滿足本工程的計算需要,同時可以對桿件按規(guī)范進行校核。

        鋼屋架計算模型中,腹桿兩端和支座均設置為鉸接[3]。表1 為鋼屋架的計算結果,從表1 的數(shù)據(jù)可見,最大應力比均為平面外穩(wěn)定應力控制狀態(tài),方案一鋼屋架在標準組合“恒載+活載”作用下最大豎向撓度為1.734mm。鋼屋架整體用鋼量約1.9t。

        計算結果表明:兩種屋面板方案的鋼屋架均滿足GB 50017-2017 鋼結構設計標準[4]的規(guī)定,方案一采用模塊化屋面重量輕,安裝便捷,可對鋼屋架截面做適當優(yōu)化,以節(jié)省材料。

        三、鋼屋架節(jié)點有限元分析

        本工程中鋼屋架最為復雜的節(jié)點如圖2 所示,圖中數(shù)字表示桿件編號,該節(jié)點由圖1 中1 號、3 號和4 號屋架組成,受力情況較為復雜。運用通用有限元軟件ADINA 對該節(jié)點在最不利荷載組合工況下的受力進行分析,可以了解節(jié)點的受力情況,改善節(jié)點設計的不足。最不利荷載組合工況內力通過提取3D3S 模型中的內力確定,如表2 所示,N表示軸力,單位為kN,壓力為負值,拉力為正值。

        圖2 節(jié)點示意圖

        表1 鋼屋架的計算結果

        表2 最不利荷載組合工況節(jié)點內力(單位:kN)

        圖3 方案二節(jié)點有效應力圖

        圖4 方案二節(jié)點改進后有效應力圖

        材料選?。壕匦武摴苓x用理想的彈塑性模型,屈服應力為215 N/mm2,彈性模量為2.06×105 N/mm2,泊松比為0.3,密度為7850kg/m3。

        單元選?。菏褂?D 實體單元能真實有效地反映節(jié)點的受力狀態(tài)。

        約束和加載:對主管兩端(桿件1 和2)的x、y和z向的平動自由度進行約束,桿件軸力加載于支管端部,加載方式采用逐級加載,分為10 個時間步,每步荷載增量為設計荷載的1/10。

        網(wǎng)格劃分:經(jīng)試算選擇10 節(jié)點的3D 實體單元劃分網(wǎng)格能夠滿足精度要求[5],網(wǎng)格密度為25mm,自由網(wǎng)格劃分。

        分析類型:選擇結構靜力分析,同時打開自動時間步,采用位移收斂準則。

        圖3 為方案二節(jié)點有效應力圖,最大應力為114.8MPa,方案一中的最大應力為75.2MPa,均位于各屋架的連接處(圖略)。由圖3 可知,桿件中的應力分布較為均勻,遠離節(jié)點處的應力較小,屋架連接處的應力大于桿件中的應力,存在應力集中問題,但均小于材料的屈服強度,整體仍偏于安全??紤]該節(jié)點構造復雜、現(xiàn)場焊接等因素,對節(jié)點處主管局部設置外套管或內襯加勁板,可避免應力集中,提高節(jié)點的承載能力[6,7]。圖4 為方案二節(jié)點設置外套管后的有效應力圖,最大應力為83.4MPa,方案一節(jié)點改進后的最大有效應力55.7MPa(圖略),應力峰值下降較為明顯。

        四、結論

        模塊化屋面相對于整體式屋面,重量輕,便于施工安裝,能減少現(xiàn)場的濕作業(yè)量;模塊化屋面和整體式屋面方案的鋼屋架均滿足規(guī)范中的規(guī)定,可對方案一鋼屋架截面作適當優(yōu)化,以節(jié)省材料;節(jié)點的最大應力位于各屋架的連接處,但小于材料的屈服強度,整體偏于安全;對節(jié)點處主管局部設置外套管或內襯加勁板,可避免應力集中,提高節(jié)點的承載能力。

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