模块化装配式钢结构论文范文

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1有限元模型

1.1网格划分该钢桁架梁模型的主体部分杆件多、形状不规则，采用Solid187四面实体单元(为高阶3维10结点固体结构单元)，在二次位移模式下可以更好地模拟不规则桁架梁。选择合理网格密度进行自由网格划分，为防止过渡部分单元畸形，弹性垫块同样选用自由网格，划分为四面体单元，以实现计算效率和精度的平衡。

1.2边界条件桁架梁两端柱座底下分别添加刚性垫块，为了模拟梁两端柱座底下的铰接支座，对刚性垫块进行铰接线约束，对垫块底部面中轴线上所有结点的x、y、z方向平动自由度进行约束。有限元模型边界条件见图2。

1.3加载制度对桁架梁进行非线性静力分析，求解采用力敛准则，应用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧长法进行非线性求解，打开自动时间步长控制及线性搜索，利用建立的有限元模型，对桁架梁施加均布面荷载，整个加载分两个荷载步。1)第一荷载步:施加重力荷载。2)第二荷载步:在桁架梁上弦上表面施加均布面荷载。有限元模型加载情况见图3。

2有限元计算结果分析

运用大型通用有限元软件ANSYS建立跨度3300，3600，3900，4060，4200mm的精细非线性有限元模型。本模型采用静态分析，在求解过程中，考虑模型的几何非线性、材料非线性以及应力刚化效应，求解类型选择“大变形静力”，迭代方式按照默认选项，输出计算的所有荷载步和子步的结果。

2.1应力分布通过有限元非线性分析，对装配式钢结构桁架梁在竖向荷载下的极限承载能力、变形特性和破坏形态进行探究，从而找到桁架梁的受力薄弱区域，对应力分布和发展规律做进一步研究，从本质上获得钢桁架梁的工作性能和破坏机理。图4中给出了极限荷载作用下5种跨度桁架梁的Mises应力分布。图5以4200mm跨度为例，给出了极限荷载作用下同种跨度、不同弦杆尺寸的桁架梁的Mises应力分布。由图4、图5可知，5种跨度的桁架梁在极限荷载作用下的应力分布规律基本一致，同种跨度下不同弦杆尺寸的桁架梁在极限荷载作用下的应力分布规律也基本一致。弦杆应力大于腹杆，弦杆受压承受弯矩，腹杆承受剪力，所有桁架梁满足相关技术标准“强剪弱弯”的设计要求。

2.2变形情况由于钢桁架梁位移主要体现在竖向挠度上，因此得到极限荷载作用下的z向位移云图。图6给出了极限荷载作用下5种跨度桁架梁的z向位移云图。图7以4200mm跨度为例，给出了极限荷载作用下同种跨度、不同弦杆尺寸的桁架梁的z向位移云图。从图6、图7中可以看出，极限竖向荷载作用下，z向位移最大值位于梁跨中弦杆处。跨度越大，弦杆尺寸越小，跨中位移越大，但总体的变形分布规律一致。考虑到z向位移在整体变形中起控制作用，故提取5种跨度梁的z向最大位移及对应的竖向荷载值，绘制各跨度桁架梁的荷载－位移曲线，见图8。从图8可以看出，各个跨度下桁架梁的z向荷载－位移曲线发展趋势基本一致。竖向荷载较小时，荷载－位移曲线呈线性分布，结构处于弹性阶段;随着荷载逐渐加大，桁架梁跨中上弦杆先达到屈服;继续加大竖向荷载作用，桁架梁跨中弦杆处屈曲变形急速增长，表现出塑性特征，塑性区应变分布如图9所示。本文将直线段结束时对应的荷载定义为桁架梁的屈服荷载Py，将曲线峰值处对应的荷载定义为破坏荷载Pu，以跨度4200mm、弦杆┗80×80×8为例，其荷载－位移曲线如图10所示。表3、表4分别给出了桁架梁屈服荷载和极限荷载值，可以看出，增加弦杆尺寸可以有效地增大桁架梁的承载力，但也不是无限的增加，从表中比值可以看出，┗75×75×8虽然比┗75×75×6厚度增加了2mm，但屈服荷载值和极限荷载值增长幅度达1.4倍左右，高于┗80×80×8比┗75×75×8的涨幅(不到1.10倍)。由表5可知，几种桁架梁极限荷载为屈服荷载的1.3倍左右，使得构件从屈服到破坏有一定的安全空间，可保证构件安全有效。

3结论

1)通过对比分析可知，钢桁架梁随着跨度增大，极限承载力逐渐减小，但各个跨度的桁架梁在极限荷载作用下的应力分布及变形规律基本一致;2)适当增大弦杆尺寸，在保证结构合理破坏模式前提下，能有效地提高桁架梁的极限承载力;3)钢桁架梁破坏时塑性区主要在跨中弦杆处，而腹杆相对受力较小，跨中弦杆先于腹杆破坏，满足“强剪弱弯”的设计要求;4)几种桁架梁极限荷载为屈服荷载的1.3倍左右，说明构件从屈服到破坏有一定的安全储备空间，可保证构件安全有效。

作者：倪真赵越刘学春张爱林单位：北京工业大学北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心