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基于有限元法的钢结构屋架节点受力分析

2019-09-20林红星安徽中亚钢结构工程有限公司

安徽科技 2019年8期
关键词:屋架杆件型钢

文/林红星(安徽中亚钢结构工程有限公司)

2018年底,住房和城乡建设工作会议提出大力发展钢结构等装配式建筑,加快完善装配式建筑技术和标准体系。装配式钢结构由主体钢结构、围护结构等建筑部品组成,各部品在工厂加工制作,在施工现场实现模块化安装。该结构具有抗震性能好、重量轻、施工快捷、绿色环保等优点。轻钢结构建筑中屋面通常做成坡屋面,常见于多层居住建筑、旧屋面改造、临时建筑设施等项目中,既能丰富建筑立面,防渗防漏,保温隔热,又可以改善顶层的居住环境,提高整个建筑空间的利用率。坡屋面通常分为单坡、双坡、四坡等形式,采用钢屋架建造的坡屋顶重量轻、防水性能好、保温节能,可满足不同建筑屋面造型的需要。

一、工程概况

工程项目为装配式钢结构建筑,主体结构两层,多坡屋面,建筑坡度约23 度,结构体系为钢框架结构,楼板为预制叠合楼板,外围护墙板为薄壁型钢骨架轻质混凝土复合板[1]。钢屋架由多个桁架现场拼接而成,如图1 所示,其中编号为1 的屋架为主屋架,屋面板考虑两种方案。

方案一:模块化屋面。采用薄壁型钢骨架轻质混凝土复合板,将屋面分块制作薄壁型钢骨架,再将ALC 板通过自攻钉固定在骨架上[2],整个屋面板实行模块化设计,工厂加工制作,现场安装时通过多个节点连接件与钢屋架机械连接,安装较为便捷,能减少施工现场湿作业量。

图1 钢屋架平面图

方案二:整体式屋面,即现浇钢筋混凝土屋面。现浇屋面的支撑仍采用薄壁型钢骨架,骨架安装好后再浇注混凝土。现浇屋面作为一种常规屋面,适用性强、整体性好,具有良好的防水防渗性能。

钢屋架使用矩形钢管设计,与二层钢框架梁顶螺栓连接,能够同时满足上述两种屋面板方案的要求。屋架上下弦杆和拼接处立柱截面均为100mm×50mm、厚度为3.0mm,腹杆截面为80mm×40mm、厚度为3.0mm,材料为Q235。方案一屋面恒载为1.5kN/m2,方案二屋面恒载为2.5kN/m2,屋面活载为0.6 kN/m2,基本风压为0.35 kN/m2,考虑水平地震作用,抗震设防烈度为7 度(0.1g),设计地震分组为第一组。

二、钢屋架整体受力分析

本工程屋面为多坡屋面,结构形式较为复杂,采用单榀平面设计不能准确计算屋架的受力情况,需使用空间受力模型计算分析。薄壁型钢骨架采用点支撑式与钢屋架连接,支撑点位于桁架腹杆与上弦杆的交点,屋面荷载通过节点传递至屋架。使用3D3S 中的空间任意结构整体建模,能够满足本工程的计算需要,同时可以对杆件按规范进行校核。

钢屋架计算模型中,腹杆两端和支座均设置为铰接[3]。表1 为钢屋架的计算结果,从表1 的数据可见,最大应力比均为平面外稳定应力控制状态,方案一钢屋架在标准组合“恒载+活载”作用下最大竖向挠度为1.734mm。钢屋架整体用钢量约1.9t。

计算结果表明:两种屋面板方案的钢屋架均满足GB 50017-2017 钢结构设计标准[4]的规定,方案一采用模块化屋面重量轻,安装便捷,可对钢屋架截面做适当优化,以节省材料。

三、钢屋架节点有限元分析

本工程中钢屋架最为复杂的节点如图2 所示,图中数字表示杆件编号,该节点由图1 中1 号、3 号和4 号屋架组成,受力情况较为复杂。运用通用有限元软件ADINA 对该节点在最不利荷载组合工况下的受力进行分析,可以了解节点的受力情况,改善节点设计的不足。最不利荷载组合工况内力通过提取3D3S 模型中的内力确定,如表2 所示,N表示轴力,单位为kN,压力为负值,拉力为正值。

图2 节点示意图

表1 钢屋架的计算结果

表2 最不利荷载组合工况节点内力(单位:kN)

图3 方案二节点有效应力图

图4 方案二节点改进后有效应力图

材料选取:矩形钢管选用理想的弹塑性模型,屈服应力为215 N/mm2,弹性模量为2.06×105 N/mm2,泊松比为0.3,密度为7850kg/m3。

单元选取:使用3D 实体单元能真实有效地反映节点的受力状态。

约束和加载:对主管两端(杆件1 和2)的x、y和z向的平动自由度进行约束,杆件轴力加载于支管端部,加载方式采用逐级加载,分为10 个时间步,每步荷载增量为设计荷载的1/10。

网格划分:经试算选择10 节点的3D 实体单元划分网格能够满足精度要求[5],网格密度为25mm,自由网格划分。

分析类型:选择结构静力分析,同时打开自动时间步,采用位移收敛准则。

图3 为方案二节点有效应力图,最大应力为114.8MPa,方案一中的最大应力为75.2MPa,均位于各屋架的连接处(图略)。由图3 可知,杆件中的应力分布较为均匀,远离节点处的应力较小,屋架连接处的应力大于杆件中的应力,存在应力集中问题,但均小于材料的屈服强度,整体仍偏于安全。考虑该节点构造复杂、现场焊接等因素,对节点处主管局部设置外套管或内衬加劲板,可避免应力集中,提高节点的承载能力[6,7]。图4 为方案二节点设置外套管后的有效应力图,最大应力为83.4MPa,方案一节点改进后的最大有效应力55.7MPa(图略),应力峰值下降较为明显。

四、结论

模块化屋面相对于整体式屋面,重量轻,便于施工安装,能减少现场的湿作业量;模块化屋面和整体式屋面方案的钢屋架均满足规范中的规定,可对方案一钢屋架截面作适当优化,以节省材料;节点的最大应力位于各屋架的连接处,但小于材料的屈服强度,整体偏于安全;对节点处主管局部设置外套管或内衬加劲板,可避免应力集中,提高节点的承载能力。

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