变温应力对某钢结构厂房影响的数值分析

薛宝东 齐永胜

华北地区某门式刚架钢结构车间在冬季施工,当时日平均气温为-10℃,而当地夏季气温常可达35℃左右。由于门式刚架是超静定结构,温度的季节性变化将不可避免地造成变温应力,此应力对结构有无明显的影响,是否需在设计阶段采取措施进行处理,便成为一个需要解决的问题。本文采用数值分析方法对该车间门式刚架在季节温差作用下的力学反应进行了分析,解决了这一问题,保证了结构的安全施工和正常使用,所用分析软件为ANSYS11.0。

1 门式刚架有关数据

本文中的门式刚架如图1所示,跨度为18 m,檐口高度为6 m,屋面坡度为1∶15,车间柱距为6 m。门式刚架梁、柱采用等截面形式,梁、柱截面为焊接H型钢,规格均为 250×250×9×14。柱脚为固端约束,梁与柱为刚接。钢架采用Q235b钢材,弹性模量为2.06×105MPa,其密度为7 850 kg/m3,温度线膨胀系数为12×10-6。屋面活荷载取为0.5 kN/m2,恒荷载为0.4 kN/m2,基本风压为0.4 kN/m2,温差取为35+10=45℃。

2 有限元模型和变温作用

刚架梁和柱都采用Beam3单元(如图2所示),单元的实常量用ANSYS软件的section功能计算得到,手工填入命令流文件,每个构件划分为20个单元。施加荷载时,在各单元的 T1,T2,T3和T4位置处施加45℃的温度荷载,以模拟门式刚架所受的变温作用。为保证求解精度,计算时打开大变形开关,并取100个子步数进行计算。

3 温度荷载的计算结果

3.1 变形和位移

在45℃变温作用下,由于柱脚刚接于不能移动的基础,柱脚之间的距离保持不变,钢梁则暴露于环境中与环境保持相同温度,在温度升高的情况下,发生伸长现象,向外侧推动刚架柱,使之发生侧向弯曲变形。放大100倍的结构变形如图3所示,刚架变形呈轴对称形式,结构的最大位移的具体数据见表1。从表1中的数据可以看出,相对于刚架本身的几何尺寸而言,变温作用所产生的位移是非常小的,由此产生的二阶效应可以忽略不计,故可按线弹性分析方法进行设计。

表1 变温作用下刚架的最大水平和竖向位移 mm

3.2 应力

在变温作用下,与上述结构变形相对应的正应力如图4所示:刚架的最大拉应力和最大压应力都出现在柱根部位,柱根截面内侧受拉、外侧受压,最大拉、压应力分别是+10.808 MPa和-10.808 MPa;斜梁上最大拉应力和最大压应力出现在屋脊处的单元,截面上外侧受拉、内侧受压,最大拉、压应力分别是+3.312 MPa和-3.720 MPa。这表明本工程中的门式刚架在变温作用下产生的温度应力最大,相当于Q235钢材屈服强度的4.60%,在结构设计中应当予以适当的考虑,最简便的方法便是考虑变温应力的大小留出适当的承载力储备,应当避免把材料用得过于充分的做法,这是出于两方面的考虑:1)避免由于变温应力同其他荷载的共同作用,使得结构最大应力部位局部进入塑性工作状态,导致弹性分析的结果与结构实际的工作状态(弹塑性状态)存在较大差别;2)避免使结构安全储备过小,在某些不利因素作用下发生危险,造成生命财产的损失。本工程中,在设计中留有较充分的储备,可使结构在正常工作的同时承受变温应力的作用,保证了结构的安全性,并且没有显著增加设计的工作量。

4 结语

1)本文结构中的门式刚架在45℃变温作用下,位移和变形很微小,可以忽略二阶效应,按线弹性方法进行分析,以简化设计。2)本文结构中温度荷载产生的温度应力大约相当于钢材屈服强度的4.60%,在结构设计中应该予以适当的考虑,最简便的方法便是考虑变温应力的大小适当留出承载力储备,至少要保证钢材屈服应力与结构最高应力值(未考虑变温作用影响的分析结果,取绝对值)的差值大于温度应力(绝对值),在这个前提下,可采用线弹性分析方法进行设计,并且可以不另外考虑变温作用的影响。3)变温作用对门式刚架的影响与刚架的跨度、高度、跨数、截面形式和尺寸等诸多因素有关。在某些算例中,变温应力可能达到钢材屈服强度的10%以上,不容忽视。所以,若结构可能承受较大的变温作用,结构设计时应对其影响做具体分析,以确定其对于工程的影响,并采取相应措施,不可盲目套用其他工程的做法,以免因对温度效应估计不足而给工程留下隐患。

[1] 张其林.轻型门式刚架[M].济南:山东科学技术出版社,2006.

[2] CECS 102∶2002,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[3] 闫桂森,陈 旭.设计钢结构厂房应注意的问题[J].山西建筑,2008,34(5):108-109.

[4] 童根树.钢结构的平面内稳定[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.