对Sugden运动中心钢架的有限元分析

杨帆　于建军　刘磊

摘 要：Abaqus是一套功能强大的有限元软件，可以很好地求解应力、位移问题。本文以Sugden运动中心体育馆门前的三跨钢架为研究对象，应用Abaqus有限元软件建模，分析了斜撑对于钢架变形和水平刚度的影响。

关键词：钢结构；斜撑；Abaqus有限元软件；水平刚度

钢结构作为主要的建筑结构形式之一，广泛地应用于高层建筑及大跨度结构，比如大型的工业厂房、高层及超高层写字楼和大跨度的食堂、体育馆等。这主要是由于刚材具有比较轻的自重和超高的强度，能够实现较大的建筑高度或者较大的结构跨度。现阶段我国城市的建筑中，混凝土结构所占的比例较高。但随着我国城市化进程的加快发展，城市用地越来越紧张，城市建筑有向高层和超高层发展的趋势。居民对文化、体育产业消费的增加也会导致更多的大跨度场馆出现。所以钢结构在我国有着很大的发展潜力。

一、工程概况

Sugden运动中心座落于世界闻名的英国曼彻斯特大学校区，在Sugden运动中心的主入口旁有一三跨的钢架结构。经过实际测量，钢架的尺寸如图1所示，每一跨长为6.6m，高为3.0m。梁与柱间为焊接，斜撑与梁柱的连接为螺栓连接，所有连接处的强度与钢材本身强度相等。

二、有限元模型的建立及材料属性

本文采用Abquas有限元软件对此Sugden运动中心门前钢架进行二维平面内的有限元分析。在有限元模型中，所用的单位为N，m，kg，s。钢架的材料屬性设置为E=210kN/mm2，v=0.3，屈服强度为235N/mm2，模型设置为梁单元。

根据实际情况，等大小设置模型的尺寸，梁与柱、柱与基础连接为刚节点，斜撑与梁柱间节点为铰节点。

图1中所标示的a-a、b-b、c-c、d-d、e-e截面的尺寸如表1、表2所示，模型的网格大小设置为0.02m。

三、加载方式和边界条件

荷载方面，原结构首跨二层上的混凝土广告牌被当做3000N/m的线荷载。屋顶传下来的竖向荷载被当分为两部分，一部分传递到柱子上，每个柱子承受30000N；另一部分为传递到钢架顶部的线荷载，大小为5000N/m。通过位移加载法在A点设置一个水平向右的0.05m的位移。分析A点的水平受力与位移的关系以及钢架整体变形。

四、对比模型

在原结构的基础上去掉所有斜撑的无斜撑钢架模型被建立，与原结构模型形成对比，比较、分析斜撑的作用效果。除了去掉所有的斜撑外，建模的其余条件，包括加载方式、大小与原结构模型相同。

五、对有限元计算结果的分析

通过表3可以看出，同样在A点0.05m的水平位移下，有斜撑钢架在A点产生了1106730N大小的水平力，而无斜撑钢架则产生了510476N大小的水平力。同样0.05m的位移下，斜撑使A点水平受力增加了116.8%；在0.020313m的位移下，斜撑使A点的水平受力增加了335.9%。由表1、表2可以得出，尽管斜撑的截面面积和截面惯性矩相对于梁和柱子比较小，但在同样的A点水平位移下，无斜撑钢架的受力显著地降低，也就意味着结构水平方向的刚度降低了很多。

六、结语

本文先对钢结构的性能、特点及应用进行了介绍和阐述，而后以sugden运动中心门前框架为对象，通过abaqus有限元软件进行了模拟分析，并设置了两个对比模型。通过对比可以得出，钢架结构中的斜撑可以起到很好的提高结构抗侧刚度的作用，并且能够使竖向承重构件更多地参与抵抗水平作用力。

参考文献：

[1] 孟伟.浅谈钢结构特点及应用[J].科技风.2012.

[2] ABAQUS.Abaqus user's Manual[M].2007.

作者简介：杨帆（1990-），男，硕士研究生，助教。