重力对桁架结构的影响仿真

摘 要：为了研究重力对桁架结构的影响，通过有限元分析软件ANSYS对桁架结构进行建模，并考虑桁架结构的自重，对桁架结构进行静力学分析，得到了重力引起的桁架变形及造成的应力分布，根据仿真结果对桁架结构进行调整，提高了桁架结构在实际工程中的可靠性与准确性。

关键词：桁架结构；重力；ANSYS仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.208

0 引言

桁架结构在房屋建筑、桥梁及船舶、射电望远镜等现代工程中得到广泛应用，其特点是结构简单、质量轻及拆卸方便等。桁架结构按外形通常分为平行弦桁架、梯形桁架及三角形桁架等，其组成通常有圆钢、角钢和T型钢等，连接方式有焊接、螺栓连接等。影响桁架结构工作性能的因素很多，比如材料强度、结构分布、风荷、连接方式及重力等因素，其中重力对桁架结构的影响最明显。尤其当桁架结构用于外伸支撑时，桁架自重造成桁架变形，在桁架还未承受外力时，其强度与形状便与设计预计存在偏差。而重力造成的桁架结构变形很难通过提前计算得到，所以有必要利用有限元软件在工程实施前对桁架结构进行重力变形仿真。本文以一个小型的外伸支撑桁架结构为例，考虑其自重，利用有限元仿真软件ANSYS，仿真桁架结构在不受外载荷时，重力造成的变形。

1 桁架结构建模

ANSYS软件是常用的有限元仿真集成软件，其在进行静力学分析时建模方便，划分网格准确，仿真计算结果精确。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块及后处理模块，进行的分析类型主要有静力学分析、动力学分析、动力学分析及热分析等。本文进行的仿真分析属于结构静力学分析，通过对桁架结构进行静力学分析得到因自重造成的桁架变形、应力等。

本文的桁架结构是由角钢组成，型号为50-50mm，长度有1200mm、825mm等多种规格，连接方式包括焊接和螺栓连接，但在建模时为了减少计算量，忽略焊接点的集中应力影响，也忽略螺纹、螺栓孔等的影响。根据实际模型建立仿真模型，单元类型选择beam，材料选择45号钢，密度为7890kg/m3，屈服强度为209000Gpa，泊松比为0.3，划分网格时采用自动网格划分方法划分网格，由于beam单元划分网格时比较简单，可直接在ANSYS软件中meshtool工具栏中设置网格单元大小或单元个数，并且施加全约束。重力通过设置重力加速度来实现，重力加速度在defineloads工具栏中设置。

2 仿真计算

设置好各种参数后，利用ansys中分析计算模块，进行分析计算，并在后处理模块中查看仿真结果。查看结果得到最大应力为293Mpa，分布在外远端；最小应力为46Mpa，分布在约束端的约束处；说明靠近约束处的桁架刚度高，受到重力影响小，远端桁架刚度小，受重力影响大。并且可以查看桁架原型与受重力影响后的对比，得出因为自重，桁架实际的位置和形状与理论的位置和形状相差很大，而且越远离近端差距越大。如果在实际工程中，没有提前预计到这个变形，会造成偏差。再次说明通过分析软件提前对桁架结构进行重力变形仿真很有必要。

3 结论

在工程中，桁架结构可以以较少的材料提供足够的抗拉、抗剪能力，但是其自重对其形状的影响不可忽略。根据本文仿真结果发现在距离约束端较近的地方其自重造成变形小，在远离约束端的桁架自重会造成较大变形，所以有必要在远离约束端增加支撑，并在增加支撑和增加重量之间寻求平衡。还能根据仿真分析得到抗剪危险点，并在此处采取增加支撑或改变截面形状等措施增强桁架结构的抗剪能力。

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作者简介：郭永凤（1988-），女，内蒙古鄂尔多斯人，硕士。