模塊化裝配式鋼結構論文范文

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1有限元模型

1.1網格劃分該鋼桁架梁模型的主體部分桿件多、形狀不規則，采用Solid187四面實體單元(為高階3維10結點固體結構單元)，在二次位移模式下可以更好地模擬不規則桁架梁。選擇合理網格密度進行自由網格劃分，為防止過渡部分單元畸形，彈性墊塊同樣選用自由網格，劃分為四面體單元，以實現計算效率和精度的平衡。

1.2邊界條件桁架梁兩端柱座底下分別添加剛性墊塊，為了模擬梁兩端柱座底下的鉸接支座，對剛性墊塊進行鉸接線約束，對墊塊底部面中軸線上所有結點的x、y、z方向平動自由度進行約束。有限元模型邊界條件見圖2。

1.3加載制度對桁架梁進行非線性靜力分析，求解采用力斂準則，應用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧長法進行非線性求解，打開自動時間步長控制及線性搜索，利用建立的有限元模型，對桁架梁施加均布面荷載，整個加載分兩個荷載步。1)第一荷載步:施加重力荷載。2)第二荷載步:在桁架梁上弦上表面施加均布面荷載。有限元模型加載情況見圖3。

2有限元計算結果分析

運用大型通用有限元軟件ANSYS建立跨度3300，3600，3900，4060，4200mm的精細非線性有限元模型。本模型采用靜態分析，在求解過程中，考慮模型的幾何非線性、材料非線性以及應力剛化效應，求解類型選擇“大變形靜力”，迭代方式按照默認選項，輸出計算的所有荷載步和子步的結果。

2.1應力分布通過有限元非線性分析，對裝配式鋼結構桁架梁在豎向荷載下的極限承載能力、變形特性和破壞形態進行探究，從而找到桁架梁的受力薄弱區域，對應力分布和發展規律做進一步研究，從本質上獲得鋼桁架梁的工作性能和破壞機理。圖4中給出了極限荷載作用下5種跨度桁架梁的Mises應力分布。圖5以4200mm跨度為例，給出了極限荷載作用下同種跨度、不同弦桿尺寸的桁架梁的Mises應力分布。由圖4、圖5可知，5種跨度的桁架梁在極限荷載作用下的應力分布規律基本一致，同種跨度下不同弦桿尺寸的桁架梁在極限荷載作用下的應力分布規律也基本一致。弦桿應力大于腹桿，弦桿受壓承受彎矩，腹桿承受剪力，所有桁架梁滿足相關技術標準“強剪弱彎”的設計要求。

2.2變形情況由于鋼桁架梁位移主要體現在豎向撓度上，因此得到極限荷載作用下的z向位移云圖。圖6給出了極限荷載作用下5種跨度桁架梁的z向位移云圖。圖7以4200mm跨度為例，給出了極限荷載作用下同種跨度、不同弦桿尺寸的桁架梁的z向位移云圖。從圖6、圖7中可以看出，極限豎向荷載作用下，z向位移最大值位于梁跨中弦桿處。跨度越大，弦桿尺寸越小，跨中位移越大，但總體的變形分布規律一致。考慮到z向位移在整體變形中起控制作用，故提取5種跨度梁的z向最大位移及對應的豎向荷載值，繪制各跨度桁架梁的荷載－位移曲線，見圖8。從圖8可以看出，各個跨度下桁架梁的z向荷載－位移曲線發展趨勢基本一致。豎向荷載較小時，荷載－位移曲線呈線性分布，結構處于彈性階段;隨著荷載逐漸加大，桁架梁跨中上弦桿先達到屈服;繼續加大豎向荷載作用，桁架梁跨中弦桿處屈曲變形急速增長，表現出塑性特征，塑性區應變分布如圖9所示。本文將直線段結束時對應的荷載定義為桁架梁的屈服荷載Py，將曲線峰值處對應的荷載定義為破壞荷載Pu，以跨度4200mm、弦桿┗80×80×8為例，其荷載－位移曲線如圖10所示。表3、表4分別給出了桁架梁屈服荷載和極限荷載值，可以看出，增加弦桿尺寸可以有效地增大桁架梁的承載力，但也不是無限的增加，從表中比值可以看出，┗75×75×8雖然比┗75×75×6厚度增加了2mm，但屈服荷載值和極限荷載值增長幅度達1.4倍左右，高于┗80×80×8比┗75×75×8的漲幅(不到1.10倍)。由表5可知，幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右，使得構件從屈服到破壞有一定的安全空間，可保證構件安全有效。

3結論

1)通過對比分析可知，鋼桁架梁隨著跨度增大，極限承載力逐漸減小，但各個跨度的桁架梁在極限荷載作用下的應力分布及變形規律基本一致;2)適當增大弦桿尺寸，在保證結構合理破壞模式前提下，能有效地提高桁架梁的極限承載力;3)鋼桁架梁破壞時塑性區主要在跨中弦桿處，而腹桿相對受力較小，跨中弦桿先于腹桿破壞，滿足“強剪弱彎”的設計要求;4)幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右，說明構件從屈服到破壞有一定的安全儲備空間，可保證構件安全有效。

作者：倪真趙越劉學春張愛林單位：北京工業大學北京市高層和大跨度預應力鋼結構工程技術研究中心