模塊化裝配式鋼結(jié)構(gòu)論文范文

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1有限元模型

1.1網(wǎng)格劃分該鋼桁架梁模型的主體部分桿件多、形狀不規(guī)則，采用Solid187四面實(shí)體單元(為高階3維10結(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元)，在二次位移模式下可以更好地模擬不規(guī)則桁架梁。選擇合理網(wǎng)格密度進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，為防止過(guò)渡部分單元畸形，彈性墊塊同樣選用自由網(wǎng)格，劃分為四面體單元，以實(shí)現(xiàn)計(jì)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(duì)剛性墊塊進(jìn)行鉸接線約束，對(duì)墊塊底部面中軸線上所有結(jié)點(diǎn)的x、y、z方向平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。有限元模型邊界條件見(jiàn)圖2。

1.3加載制度對(duì)桁架梁進(jìn)行非線性靜力分析，求解采用力斂準(zhǔn)則，應(yīng)用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧長(zhǎng)法進(jìn)行非線性求解，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制及線性搜索，利用建立的有限元模型，對(duì)桁架梁施加均布面荷載，整個(gè)加載分兩個(gè)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(jiàn)圖3。

2有限元計(jì)算結(jié)果分析

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

2.1應(yīng)力分布通過(guò)有限元非線性分析，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)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(tài)進(jìn)行探究，從而找到桁架梁的受力薄弱區(qū)域，對(duì)應(yīng)力分布和發(fā)展規(guī)律做進(jìn)一步研究，從本質(zhì)上獲得鋼桁架梁的工作性能和破壞機(jī)理。圖4中給出了極限荷載作用下5種跨度桁架梁的Mises應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布規(guī)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(yīng)力分布規(guī)律也基本一致。弦桿應(yīng)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(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)要求。

2.2變形情況由于鋼桁架梁位移主要體現(xiàn)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(guī)律一致?？紤]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(duì)應(yīng)的豎向荷載值，繪制各跨度桁架梁的荷載－位移曲線，見(jiàn)圖8。從圖8可以看出，各個(gè)跨度下桁架梁的z向荷載－位移曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致。豎向荷載較小時(shí)，荷載－位移曲線呈線性分布，結(jié)構(gòu)處于彈性階段;隨著荷載逐漸加大，桁架梁跨中上弦桿先達(dá)到屈服;繼續(xù)加大豎向荷載作用，桁架梁跨中弦桿處屈曲變形急速增長(zhǎng)，表現(xiàn)出塑性特征，塑性區(qū)應(yīng)變分布如圖9所示。本文將直線段結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載定義為桁架梁的屈服荷載Py，將曲線峰值處對(duì)應(yīng)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(wú)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(zhǎng)幅度達(dá)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(gòu)件從屈服到破壞有一定的安全空間，可保證構(gòu)件安全有效。

3結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)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(gè)跨度的桁架梁在極限荷載作用下的應(yīng)力分布及變形規(guī)律基本一致;2)適當(dāng)增大弦桿尺寸，在保證結(jié)構(gòu)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(shí)塑性區(qū)主要在跨中弦桿處，而腹桿相對(duì)受力較小，跨中弦桿先于腹桿破壞，滿足“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)要求;4)幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右，說(shuō)明構(gòu)件從屈服到破壞有一定的安全儲(chǔ)備空間，可保證構(gòu)件安全有效。

作者：倪真趙越劉學(xué)春張愛(ài)林單位：北京工業(yè)大學(xué)北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心