溫度變化對人字形鋼桁架的應力及變形分析

李眾徹　孟慶超（等）

摘 要：以一個人字形鋼桁架作為基本模型，通過大型結構有限元分析軟件ansys建立了靜態分析模型，并施加荷載和約束進行計算，分析了人字鋼主梁在從-20℃到40℃的外界溫度變化下的應力以及變形的差異。計算結果顯示：在溫度升高的過程中，模型的各個桿件以及節點處的應力以及變形都有很大的變化，所得到的結論可以為建筑工程設計提供相關的依據。

關鍵詞：溫度；應力；變形；ansys

人字形鋼桁架是一種常見的大棚、廠房的屋頂結構。在低溫寒冷地區建筑結構的溫度變化對于建筑結構的影響已經得到了高度的重視，建筑結構在變化的溫度環境中，結構的各個構件會產生一定的溫度以及變形。

本文立足于探求溫度變化對于人字形鋼桁架的影響，研究了人字形鋼桁架在-20℃和40℃時的外界溫度變化下的應力以及變形的差異，并從位移云圖和應力云圖中得到了相關結論。

1 有限元模型的建立

通過ansys對建筑結構進行靜力分析的時候，首先應該建立相應的有限元計算模型，這也是在有限元分析中非常關鍵的一步。本例為一個跨度為7m的人字形鋼桁架，主要是由鋼管和鋼材組成，梁高為1.5m。本例的單元均采用材料庫中的beam188單元，對于本例中各個構件截面的參數以及材料彈性模量及泊松比列于表1。

表1 模型截面的幾何特性和材料特性參數表

頂梁（mm） 斜撐桿（mm） 底梁（mm） 彈性模量E（pa） 泊松比（μ）

100×100×8 φ30×φ36 150×150×12 1.8×10 5 0.28

定義好材料的屬性以后，對人字形鋼桁架進行模型建立，并劃分網格施加約束求解。本結構對兩端點的節點施加固定約束，并且在底梁的每個節點處施加向下的2000kN的豎向荷載，結構的有限元模型以及節點示意圖如圖1所示

圖1 人字形鋼桁架有限元模型圖

2 溫度變化對的人字形鋼桁架應力影響分析

定義材料的線膨脹系數為1.2e-005，為了模擬外界的溫度變化，將材料的參考溫度首先設定為-20℃，對結構進行求解，然后在后處理中查看結構的應力云圖（如圖2所示）；然后將材料的參考溫度設定為40℃，對結構進行求解以后查看溫度升高后的應力云圖（如圖3所示）

圖2 人字形鋼桁架-20℃時的應力云圖

圖3 人字形鋼桁架40℃時的應力云圖

結合應力云圖，可以得到以下幾個結論：

2.1 盡管應力的最大值（第2節點）以及最小值（第12節點）出現的位置上沒有變化，但是最大值和最小值的數值有很大變化，在-20℃時的最小應力為2.346Mpa，最大應力為58.308Mpa。當溫度升高到40℃時的最小應力為0.016341Mpa，最大應力為173.654Mpa。

2.2 在-20℃時，人字形鋼桁架的應力分布比較均勻，各個節點處的應力差值不大。但是當溫度是40℃的時候，各節點的應力相差較大特別是連接頂梁以及底梁的桿件兩端點節點，應力差值達到了50Mpa以上，故在此溫度時可以提供一些保護措施。

2.3 兩個溫度下的主梁底梁處節點的應力值均大于其他節點。在-20℃溫度時，人字形鋼桁架底梁節點的應力值在40～50Mpa之間，與端節點的58.308Mpa的值的差值不大，應力分布較為均勻。在40℃時，底梁節點的應力值在80～100Mpa之間，但是底梁端節點的應力值達到了173.654Mpa，中間發生了應力突變，說明底梁端節點在高溫季節更易發生破壞。

3 溫度變化對的人字形鋼桁架變形影響分析

對人字形鋼桁架的有限元模型進行求解以后，在后處理中分別查看結構在-20℃時以及40℃的的變形云圖，如圖4和圖5所示：

圖4 人字形鋼桁架-20℃時的變形云圖

圖5 人字形鋼桁架40℃時的變形云圖

結合人字形鋼桁架的變形云圖，可以得到以下幾個結論：

3.1 由于兩個底梁端點是被固定的，所以在兩種溫度下主梁的變形最小值都出現在了主梁底梁的兩個端節點處，其變形值為0。而且變形最大的點都出現在頂梁的上端點處。

3.2 兩種溫度下的結構變形變化趨勢都是從上至下依次減弱，從中間向兩邊依次減弱。但是在溫度較低的情況下，變形在整個結構中分布較為均勻，但是當溫度較高時很多節點都成為大幅度變形節點，這導致了整個結構的整體變形較大。

3.3 在-20℃時，結構變形不太明顯，溫度為40℃時，結構的整體變形遠大于低溫時的變形，呈現出下凹狀，在頂點處高溫時的變形達到了低溫時的4倍變形，在夏季高溫狀態應該對頂點采取一定的保護措施。

4 結語

運用ansys對人字形鋼桁架在溫度變化下的應變以及變形進行了分析，結合以上應變以及變形云圖的結果可以得出：隨著溫度的升高，人字形鋼桁架的應力以及變形值出現了整體的上升，而且分布較低溫狀態下很不均勻，甚至出現了應力突變現象，在高溫時，結構底梁的應力值很大，而頂梁頂點處的變形值很大。所以在夏季高溫時候，可以對幾個危險節點采取降溫和保護措施。

參考文獻

[1] 張君等.不同保溫形式墻體溫度場數值模擬與分析[J].哈爾濱工程大學學報2009，30（12）.

[2] 許樹峰等.高層建筑結構溫度效應的簡化計算[J].低溫建筑技術，2007，6.

[3] 王洋，郝志軍.ANSYS在土木工程應用實例M].中國水利水電出版社，2010.

基金項目：國家大學生創新性實驗項目資助（201310225149）。

作者簡介：李眾徹（1992- ），男，浙江溫州人，本科生，研究方向：建筑工程。

摘 要：以一個人字形鋼桁架作為基本模型，通過大型結構有限元分析軟件ansys建立了靜態分析模型，并施加荷載和約束進行計算，分析了人字鋼主梁在從-20℃到40℃的外界溫度變化下的應力以及變形的差異。計算結果顯示：在溫度升高的過程中，模型的各個桿件以及節點處的應力以及變形都有很大的變化，所得到的結論可以為建筑工程設計提供相關的依據。

關鍵詞：溫度；應力；變形；ansys

人字形鋼桁架是一種常見的大棚、廠房的屋頂結構。在低溫寒冷地區建筑結構的溫度變化對于建筑結構的影響已經得到了高度的重視，建筑結構在變化的溫度環境中，結構的各個構件會產生一定的溫度以及變形。

本文立足于探求溫度變化對于人字形鋼桁架的影響，研究了人字形鋼桁架在-20℃和40℃時的外界溫度變化下的應力以及變形的差異，并從位移云圖和應力云圖中得到了相關結論。

1 有限元模型的建立

通過ansys對建筑結構進行靜力分析的時候，首先應該建立相應的有限元計算模型，這也是在有限元分析中非常關鍵的一步。本例為一個跨度為7m的人字形鋼桁架，主要是由鋼管和鋼材組成，梁高為1.5m。本例的單元均采用材料庫中的beam188單元，對于本例中各個構件截面的參數以及材料彈性模量及泊松比列于表1。

表1 模型截面的幾何特性和材料特性參數表

頂梁（mm） 斜撐桿（mm） 底梁（mm） 彈性模量E（pa） 泊松比（μ）

100×100×8 φ30×φ36 150×150×12 1.8×10 5 0.28

定義好材料的屬性以后，對人字形鋼桁架進行模型建立，并劃分網格施加約束求解。本結構對兩端點的節點施加固定約束，并且在底梁的每個節點處施加向下的2000kN的豎向荷載，結構的有限元模型以及節點示意圖如圖1所示

圖1 人字形鋼桁架有限元模型圖

2 溫度變化對的人字形鋼桁架應力影響分析

定義材料的線膨脹系數為1.2e-005，為了模擬外界的溫度變化，將材料的參考溫度首先設定為-20℃，對結構進行求解，然后在后處理中查看結構的應力云圖（如圖2所示）；然后將材料的參考溫度設定為40℃，對結構進行求解以后查看溫度升高后的應力云圖（如圖3所示）

圖2 人字形鋼桁架-20℃時的應力云圖

圖3 人字形鋼桁架40℃時的應力云圖

結合應力云圖，可以得到以下幾個結論：

2.1 盡管應力的最大值（第2節點）以及最小值（第12節點）出現的位置上沒有變化，但是最大值和最小值的數值有很大變化，在-20℃時的最小應力為2.346Mpa，最大應力為58.308Mpa。當溫度升高到40℃時的最小應力為0.016341Mpa，最大應力為173.654Mpa。

2.2 在-20℃時，人字形鋼桁架的應力分布比較均勻，各個節點處的應力差值不大。但是當溫度是40℃的時候，各節點的應力相差較大特別是連接頂梁以及底梁的桿件兩端點節點，應力差值達到了50Mpa以上，故在此溫度時可以提供一些保護措施。

2.3 兩個溫度下的主梁底梁處節點的應力值均大于其他節點。在-20℃溫度時，人字形鋼桁架底梁節點的應力值在40～50Mpa之間，與端節點的58.308Mpa的值的差值不大，應力分布較為均勻。在40℃時，底梁節點的應力值在80～100Mpa之間，但是底梁端節點的應力值達到了173.654Mpa，中間發生了應力突變，說明底梁端節點在高溫季節更易發生破壞。

3 溫度變化對的人字形鋼桁架變形影響分析

對人字形鋼桁架的有限元模型進行求解以后，在后處理中分別查看結構在-20℃時以及40℃的的變形云圖，如圖4和圖5所示：

圖4 人字形鋼桁架-20℃時的變形云圖

圖5 人字形鋼桁架40℃時的變形云圖

結合人字形鋼桁架的變形云圖，可以得到以下幾個結論：

3.1 由于兩個底梁端點是被固定的，所以在兩種溫度下主梁的變形最小值都出現在了主梁底梁的兩個端節點處，其變形值為0。而且變形最大的點都出現在頂梁的上端點處。

3.2 兩種溫度下的結構變形變化趨勢都是從上至下依次減弱，從中間向兩邊依次減弱。但是在溫度較低的情況下，變形在整個結構中分布較為均勻，但是當溫度較高時很多節點都成為大幅度變形節點，這導致了整個結構的整體變形較大。

3.3 在-20℃時，結構變形不太明顯，溫度為40℃時，結構的整體變形遠大于低溫時的變形，呈現出下凹狀，在頂點處高溫時的變形達到了低溫時的4倍變形，在夏季高溫狀態應該對頂點采取一定的保護措施。

4 結語

運用ansys對人字形鋼桁架在溫度變化下的應變以及變形進行了分析，結合以上應變以及變形云圖的結果可以得出：隨著溫度的升高，人字形鋼桁架的應力以及變形值出現了整體的上升，而且分布較低溫狀態下很不均勻，甚至出現了應力突變現象，在高溫時，結構底梁的應力值很大，而頂梁頂點處的變形值很大。所以在夏季高溫時候，可以對幾個危險節點采取降溫和保護措施。

參考文獻

[1] 張君等.不同保溫形式墻體溫度場數值模擬與分析[J].哈爾濱工程大學學報2009，30（12）.

[2] 許樹峰等.高層建筑結構溫度效應的簡化計算[J].低溫建筑技術，2007，6.

[3] 王洋，郝志軍.ANSYS在土木工程應用實例M].中國水利水電出版社，2010.

基金項目：國家大學生創新性實驗項目資助（201310225149）。

作者簡介：李眾徹（1992- ），男，浙江溫州人，本科生，研究方向：建筑工程。

摘 要：以一個人字形鋼桁架作為基本模型，通過大型結構有限元分析軟件ansys建立了靜態分析模型，并施加荷載和約束進行計算，分析了人字鋼主梁在從-20℃到40℃的外界溫度變化下的應力以及變形的差異。計算結果顯示：在溫度升高的過程中，模型的各個桿件以及節點處的應力以及變形都有很大的變化，所得到的結論可以為建筑工程設計提供相關的依據。

關鍵詞：溫度；應力；變形；ansys

人字形鋼桁架是一種常見的大棚、廠房的屋頂結構。在低溫寒冷地區建筑結構的溫度變化對于建筑結構的影響已經得到了高度的重視，建筑結構在變化的溫度環境中，結構的各個構件會產生一定的溫度以及變形。

本文立足于探求溫度變化對于人字形鋼桁架的影響，研究了人字形鋼桁架在-20℃和40℃時的外界溫度變化下的應力以及變形的差異，并從位移云圖和應力云圖中得到了相關結論。

1 有限元模型的建立

通過ansys對建筑結構進行靜力分析的時候，首先應該建立相應的有限元計算模型，這也是在有限元分析中非常關鍵的一步。本例為一個跨度為7m的人字形鋼桁架，主要是由鋼管和鋼材組成，梁高為1.5m。本例的單元均采用材料庫中的beam188單元，對于本例中各個構件截面的參數以及材料彈性模量及泊松比列于表1。

表1 模型截面的幾何特性和材料特性參數表

頂梁（mm） 斜撐桿（mm） 底梁（mm） 彈性模量E（pa） 泊松比（μ）

100×100×8 φ30×φ36 150×150×12 1.8×10 5 0.28

定義好材料的屬性以后，對人字形鋼桁架進行模型建立，并劃分網格施加約束求解。本結構對兩端點的節點施加固定約束，并且在底梁的每個節點處施加向下的2000kN的豎向荷載，結構的有限元模型以及節點示意圖如圖1所示

圖1 人字形鋼桁架有限元模型圖

2 溫度變化對的人字形鋼桁架應力影響分析

定義材料的線膨脹系數為1.2e-005，為了模擬外界的溫度變化，將材料的參考溫度首先設定為-20℃，對結構進行求解，然后在后處理中查看結構的應力云圖（如圖2所示）；然后將材料的參考溫度設定為40℃，對結構進行求解以后查看溫度升高后的應力云圖（如圖3所示）

圖2 人字形鋼桁架-20℃時的應力云圖

圖3 人字形鋼桁架40℃時的應力云圖

結合應力云圖，可以得到以下幾個結論：

2.1 盡管應力的最大值（第2節點）以及最小值（第12節點）出現的位置上沒有變化，但是最大值和最小值的數值有很大變化，在-20℃時的最小應力為2.346Mpa，最大應力為58.308Mpa。當溫度升高到40℃時的最小應力為0.016341Mpa，最大應力為173.654Mpa。

2.2 在-20℃時，人字形鋼桁架的應力分布比較均勻，各個節點處的應力差值不大。但是當溫度是40℃的時候，各節點的應力相差較大特別是連接頂梁以及底梁的桿件兩端點節點，應力差值達到了50Mpa以上，故在此溫度時可以提供一些保護措施。

2.3 兩個溫度下的主梁底梁處節點的應力值均大于其他節點。在-20℃溫度時，人字形鋼桁架底梁節點的應力值在40～50Mpa之間，與端節點的58.308Mpa的值的差值不大，應力分布較為均勻。在40℃時，底梁節點的應力值在80～100Mpa之間，但是底梁端節點的應力值達到了173.654Mpa，中間發生了應力突變，說明底梁端節點在高溫季節更易發生破壞。

3 溫度變化對的人字形鋼桁架變形影響分析

對人字形鋼桁架的有限元模型進行求解以后，在后處理中分別查看結構在-20℃時以及40℃的的變形云圖，如圖4和圖5所示：

圖4 人字形鋼桁架-20℃時的變形云圖

圖5 人字形鋼桁架40℃時的變形云圖

結合人字形鋼桁架的變形云圖，可以得到以下幾個結論：

3.1 由于兩個底梁端點是被固定的，所以在兩種溫度下主梁的變形最小值都出現在了主梁底梁的兩個端節點處，其變形值為0。而且變形最大的點都出現在頂梁的上端點處。

3.2 兩種溫度下的結構變形變化趨勢都是從上至下依次減弱，從中間向兩邊依次減弱。但是在溫度較低的情況下，變形在整個結構中分布較為均勻，但是當溫度較高時很多節點都成為大幅度變形節點，這導致了整個結構的整體變形較大。

3.3 在-20℃時，結構變形不太明顯，溫度為40℃時，結構的整體變形遠大于低溫時的變形，呈現出下凹狀，在頂點處高溫時的變形達到了低溫時的4倍變形，在夏季高溫狀態應該對頂點采取一定的保護措施。

4 結語

運用ansys對人字形鋼桁架在溫度變化下的應變以及變形進行了分析，結合以上應變以及變形云圖的結果可以得出：隨著溫度的升高，人字形鋼桁架的應力以及變形值出現了整體的上升，而且分布較低溫狀態下很不均勻，甚至出現了應力突變現象，在高溫時，結構底梁的應力值很大，而頂梁頂點處的變形值很大。所以在夏季高溫時候，可以對幾個危險節點采取降溫和保護措施。

參考文獻

[1] 張君等.不同保溫形式墻體溫度場數值模擬與分析[J].哈爾濱工程大學學報2009，30（12）.

[2] 許樹峰等.高層建筑結構溫度效應的簡化計算[J].低溫建筑技術，2007，6.

[3] 王洋，郝志軍.ANSYS在土木工程應用實例M].中國水利水電出版社，2010.

基金項目：國家大學生創新性實驗項目資助（201310225149）。

作者簡介：李眾徹（1992- ），男，浙江溫州人，本科生，研究方向：建筑工程。