工業廠房單榀門式剛架有限元分析

孟 超 王志騫

(西安交通大學人居學院，陜西西安 710049)

0 引言

輕型門式鋼結構是一種重要的結構形式，輕鋼結構具有自重輕、材質均勻、制造簡單、安裝方便等顯著特點。隨著工業的快速發展和鋼結構技術的發展，輕型門式剛架在單層工業廠房中得到了廣泛應用，并呈現出跨度大，承載重的發展趨勢，因此對門式剛架結構進行承載能力分析顯得尤為重要［1］。結合工程實例，對某廠房單榀門式剛架結構建立有限元模型進行彈性、彈塑性以及塑性全范圍承載極限能力分析，并且在搖擺柱連接方式的不同以及有無搖擺柱情況下，對結構的受力變形進行了分析。

1 設計資料

所分析結構為圖木舒克疆絨紡織有限公司的主廠房門式剛架，位于新疆圖木舒克市東工業園。

1)基本風壓:W=0.55 kN/m，調整系數為1.05。

2)基本雪壓:S=0.45 kN/m，屋面積雪分布系數1.25。

3)屋面恒荷載:0.202 kN/m。

4)屋面活荷載:0.30 kN/m。

5)抗震設防:建筑抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為 0.10g。

2 剛架結構設計圖

經過用PKPM結構分析軟件對結構進行再次建模分析計算，結果顯示各項均滿足要求，結構設計沒有問題，門式剛架結構設計圖見圖1。

3 設計荷載作用下的有限元分析假設

為了提高計算速度，降低建模復雜程度，對結構做以下簡化:

1)門式剛架的柱底約束方式都為理想鉸接;

2)在設計荷載作用下連接螺栓不發生松動，每段梁之間的螺栓連接都為理想剛接;

3)外荷載為全跨均勻分布的線荷載，作用于梁上翼緣中心線上;

4)在設計荷載作用下，各個桿件均處于彈性范圍內。

4 有限元模型

本次分析利用的是通用有限元分析軟件ANSYS。ANSYS提供的單元類型和建模方式有很多種，不同建模方式的前提條件，考慮方法，計算方法和計算量都不同［2］。根據結構設計資料及假設特點，選用的單元是 Beam189，彈性模量 EX=2.1E11 N/m2，泊松比μ=0.3，密度為7 850 kg/m3。門式剛架結構有限元模型圖見圖2。

5 搖擺柱上端連接方式不同對門式剛架結構的影響

門式剛架結構設計中，為滿足大跨度、大空間設計需要，常常需要在邊榀框架設置抗風柱［3］。為節省用鋼量，抗風柱一般設計成上下兩端鉸接的搖擺柱。設置搖擺柱可以同時減小梁柱內力和截面，使結構用鋼量更低，受力更合理，然而搖擺柱的設置往往使剛架邊柱的長細比超限［4］，為此在不同搖擺柱連接情況下，對門式剛架內力位移用有限元分析軟件進行了分析。

5.1 搖擺柱上端剛接

最大豎向位移發生在第一跨跨中偏左部分，位移值為7.24 mm。

鋼梁采用的是變截面，由圖3可見，在截面大的位置梁的內力大，此時鋼材得到充分的利用。最大位移不在跨中也是因為梁的截面非均勻，支座反力表見表1。

表1 支座反力表(一)N

5.2 搖擺柱上端鉸接

最大豎向位移發生在第一跨跨中偏左部分，位移值為7.22 mm。PKPM軟件計算最大撓度結果為6.16 mm。

鋼梁采用的是變截面，由圖4可見，在截面大的位置梁的內力大，此時鋼材得到充分的利用。最大位移不在跨中也是因為梁的截面非均勻，支座反力表見表2。

表2 支座反力表(二)N

5.3 無搖擺柱

最大豎向位移發生在跨中偏左部分，位移值為117 mm，無搖擺柱變形圖見圖5，支座反力表見表3。

5.4 分析結論

搖擺柱上部連接方式對門式剛架的受力及變形影響不大，當將搖擺柱去掉以后，門式剛架的變形和受力變化很大。

表3 支座反力表(三)N

6 有限元承載能力分析結果

6.1 彈性范圍內的承載極限分析

對本次結構設計方案進行承載能力分析，分析方法采用特征值屈曲分析。具體簡化方法與設計荷載作用下的有限元分析相同，分析結果為:

第一階特征值為1.806 6，則單榀門式剛架的最大承載能力約為:1.806 6 ×900 ÷1.5=1.08 kN/m。從圖6 中可以看出，剛架在發生失穩時最容易出現的是面外失穩，特別是在豎向支撐點之間的梁段，所以在進行結構設計時要特別注意這些部位的失穩。

6.2 彈性—彈塑性—塑性全范圍內的承載極限分析

這部分建模不對門式剛架進行簡化，按照實際結構情況進行建模，并且選用理想Q345鋼的本構關系對剛架進行彈塑性和塑性階段的分析。分析結果如圖7所示，彎矩最大出現在梁柱交接處，在本結構設計中梁柱交接處截面擴大是很有必要的，并且需要在此處設置加勁肋，增加局部的強度和穩定性。

通過圖8得知，此結構在最終破壞時是發生梁撓度過大從而破壞，并且由圖可知發生破壞的只有最外跨的梁，初步判斷進行梁設計時存在一定的材料浪費問題，最節省材料的做法是等強度設計。圖9反映出，雖然結構最終完全破壞時承載荷載很大，但是在未達到最終破壞前結構的變形已經很大，不能滿足正常使用要求。荷載超過2 kN/m時，門式剛架的變形已經急速增加，此時結構的狀態便可作為結構的極限承載狀態。

［1］李國強，沈組炎.鋼結構框架體系彈性及彈塑性分析［M］.上海:上海科學技術出版社，1998.

［2］張洪信.有限元基礎理論與ANSYS應用［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］GB 50011-2001，建筑抗震設計規范［S］.

［4］CECS 102∶2002，門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程［S］.