基于SolidWorks的装配式贝雷架结构房屋框架的机械设计

2022-01-22傅海勇梁建林胡清根

装备制造技术 2021年10期

傅海勇，梁建林，胡清根

（1.广东穗名光电有限公司，广东佛山528329；2.江西农业工程职业学院，江西樟树331200）

0 引言

近年来，装配式结构房屋得到国家的大力推广，目前的传统装配式结构房屋框架大都是集装箱改进而来，主要依靠四个立柱存在受力不均匀的现象，并不能较好地与房屋功能相结合。本文提出：以可装配式为出发点，结合贝雷架的原理，采用SolidWorks软件进行结构设计和结构强度分析，通过三维模型结构进行采购物料加工样板，并对其加工出的样板进行进一步验证测试。

1 建立房屋框架三维模型

贝雷架也称为“装配式公路钢桥”，原名叫“321”公路钢桥，贝雷架是形成一定单元的钢架，可以用它拼接组装成很多构建，本文提出装配式结构房屋框架利用贝雷架的结构原理通过SolidWorks进行三维建模，运用了拉伸，切除，扫描等建模特征得到1.45m×0.3m×0.1m的贝雷架组件[1]，如图1所示。具体建模步骤为：

图1 贝雷架组件

（1）调入SolidWorks标准库里4条1.45m5#号槽钢，装配好各4条槽钢的位置后在槽钢配合间隙中间拉伸一条长0.3m/20mm×20mm的方钢，通过两端截面绘出拉力钢板，然后在拉力钢板和20mm×20mm方钢面上描出一条斜口20mm×20mm方钢，通过镜像命令到另一端，形成三角结构力的贝雷架组件[3]；

（2）调用SolidWorks标准库里2条6m长12#槽钢和2条3 m长槽钢进行尺寸装配，形成一个长6m宽3 m台阶式结构底架；

（3）装配4条长度3.5m100mm×100mm方钢立柱，四根立柱分别约束到台阶式底架的四个对角处；

（4）将步骤（1）里装配好的贝雷架横向阵列出四个贝雷架后约束到四根方钢立柱顶部，通过镜像命令镜像出第二列横向四个贝雷架；

（5）将步骤（1）里装配好的贝雷架竖向阵列出两个贝雷架后约束到四根方钢立柱顶部，通过镜像命令镜像出第二列竖向两个贝雷架；

（6）分别装配入四个L型拉铁到贝雷架槽钢的顶部各对角处；

（7）装配贝雷架连接钢片到贝雷架各连接处，然后在标准库里调入螺栓配合到钢片和各贝雷架连接孔位。

由以上步骤可得到一个L6×W3×H3.5m的框架房屋，房屋顶部为贝雷架连接环绕组成，四周四根方钢立柱支撑，底部由4条12#槽钢配合形成的三维模型，如图2所示。

图2 房屋框架三维模型

1.1 房屋框架的连接

为了缩小运输空间和节约运输成本，同时便于后期的安装和拆卸，全部采用了螺栓对穿锁紧固定配合方式，具体为：

（1）贝雷架与贝雷架之间连接利用螺栓对穿槽钢、钢板夹紧固定，有较强的牢固性和刚性强度；

（2）立柱与贝雷架之间连接穿透方钢立柱到贝雷架两端钢板锁紧固定；方钢立柱采用上下错位开孔有效避开螺栓干涉问题，从而达到框架整体的形成；

（3）顶部四边利用折弯成型的L型钣金件进行对角校正，保证房屋垂直度与平行度；

（4）贝雷架与立柱连接处底焊接三角承重架，一定程度上减少立柱顶部对穿螺丝的拉力，减轻立柱方钢的螺栓接触面受力，预防因拉力过大造成方钢凹陷或变形；

（5）底部槽钢运用台阶式错交对穿螺栓锁紧固定，利用槽钢横纵叠加方式固定到方钢立柱底部形成框架对角结构；

（6）在上下槽钢的衔接重合处开孔穿透螺栓对穿锁紧，增加底部刚性强度与垂直度，在顶部与底部布置了角钢平铺，通过顶部、底部槽钢腿边开孔螺栓连接在方钢上形成连接，便于后期组装时铺板装簧[2]。

2 装配式贝雷架结构房屋框架的强度分析

装配式房屋运用SolidWorks simulation做有限元静应力分析，材料选用国标Q235B槽钢与方钢进行网格划分求解仿真，在求解模拟仿真过程中为了准确性，选取材料时要设定好材料Q235B槽钢的密度7.85g/cm3，弹性模量E为200～210GPa，屈服强度为235（厚度或直径小于等于16mm），抗拉强度σb为370～500MPa，Q235B槽钢作为市面上通用承重钢材占有重要地位，有较好的焊接、铆接性能及综合机械性能，在选定材料时尤为重要，标准件槽钢便捷性于灵活搭配各类钢材，并且在后期量产时方便供应链支持，所用的紧固件选取SolidWorks Toolbox标准件云库的六角螺栓，其物理参数与实际参数一致，有效保证了分析过程运算的材料准确性。

SolidWorks simulation在做分析时进行固定底部槽钢后，房屋载荷在贝雷架顶部由上往下施加4t重力，各项材料间设定全局结合连接，设置好螺栓固定和各贝雷架焊接设定后，网格划分密度设定长10mm宽10mm的有效密度，通过simulation网格划分后进行FFEPlus解算器求解分析出应力云图，在受到重力下压时发生材料形变得到屈服强度达2.206e+08（图3），顶部贝雷架最大位移量13.23mm（图4）；横向贝雷架中间跨度较大，受力位移应变最为明显，于是在贝雷架两端满焊钢板加强贝雷架横向阻力面积以有效防止重力不均衡而坍塌；在贝雷架横向受力比较大的同时，贝雷架两端方钢处受压明显，故在顶部立柱处焊接三角承重架来减轻立柱螺栓的重力下垂，纵向贝雷架最大位移量3.28mm，四根立柱无弯曲无倾斜，承重良好，四根方钢立柱固定处螺栓受力无变形，整体贝雷架房屋架构结实稳固。

图3 应力分布图

图4 受力位移量

3 制作房屋框架样板

3.1 样板制作工艺

装配式房屋贝雷架运用激光定位开料开孔制作，其精准度较高，槽钢的孔距和开孔大小的公差能较好地把握，避免开孔不准导致后期装配困难；激光切割机比普通手工开料切割机优点甚多，普通切割机开料尺寸偏差大，切口不平、毛刺披风大造成焊接难度加大，组装尺寸不匹配等难点，在焊接时进行工装夹具定位焊接，有效保证了贝雷架整体的精密度，确保每个贝雷架的长度孔距等尺寸一致，便于后面的组装和操作。焊接结束后，需要打磨去焊渣，避免焊渣刮手或影响到孔位的栓接，也保证了产品的美观程度。

3.2 样板组装

贝雷架房屋组装时采取从下往上装配进行：（1）先将底部长槽钢和短槽钢上下孔螺栓穿透连接；（2）固定好底部主体后，把周围四根方钢立起贴到底部槽钢对角交叉处，将螺栓穿过方钢和槽钢螺栓固定；（3）固定后方钢后借助脚手架先将短边贝雷架两端焊接钢片孔位对齐方钢顶部螺丝孔，然后把螺栓穿过方钢对接到钢片锁紧固定，先锁上面的孔，后锁下面的孔，避免贝雷架旋转掉头；（4）同理，固定好短边贝雷架再固定长边贝雷架，固定到第三、第四个贝雷架时需要用木棒顶住贝雷架底部，慢慢调整贝雷架孔位与方钢孔位对齐后螺栓固定锁紧；（5）固定完所有贝雷架后将折弯成型的L型钣金件对齐贝雷架上端槽钢开孔处锁紧固定，拉住贝雷架对角的连接处；（6）将开好孔的角钢逐一固定在贝雷架上端槽钢开孔处，形成整体的框架。

4 房屋框架样板的测试

在装配好贝雷架房屋后利用现场车间的行吊往贝雷架房屋顶部挂压已过磅好的钢片，承重位置在横向贝雷架中间分析时受力弱点处，隔空悬挂重力下压，重量达4.1t，在受压后的贝雷架有轻度下垂，在静应力分析位移量的数值范围内，证明实验与分析无误，四立柱间并无任何变化，贝雷架与槽钢连接处受力良好且无异常歪曲，整体房屋结构牢固无摆动，如图5所示。