某民宅基于ANSYS的應力變形分析

摘 要：為了研究單層框架結構體系民宅的承載能力特性，文章以北方村鎮某民宅為計算模型，對其在自重作用下的應力變形響應進行靜力分析，得到該類建筑結構的承載能力特性，同時通過針對有限元模型的分析，對現有的單層框架民宅的受力特性改善提出建議。應用大型通用有限元計算軟件ANSYS對某單層框架體系民宅建立三維有限元模型，并根據模型計算了其在自重作用下的靜力響應，得到了該模型在自重作用下的應力變形響應，所得到的結論可以為單層框架結構體系的民宅設計以及承載力研究提供參考依據。

關鍵詞：民宅；框架結構；ANSYS；應力應變

中圖分類號：TV31；TV641 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）21-0157-02

1 概 述

單層框架結構是框架結構的一種，主要是梁柱之間剛接而形成框架，共同承受水平荷載以及豎向荷載的單層結構。由于單層框架結構具有自重輕、造價低、施工簡便、易于構造較大空間、各個空間的分配靈活等特點，近幾年被廣泛應用于村鎮民宅、廠房等建筑結構中。因此對單層框架結構的進行研究是很有必要的。目前我國對于單層框架民宅結構的設計與研究較為廣泛，但主要是基于結構設計基礎理論下的構件驗算，應用數值模擬方式對已有的民宅單層框架體系進行承載能力的研究較少。本文以北方村鎮某民宅為計算模型，對其在自重作用下的應力變形響應進行靜力分析，得到該類建筑結構的承載能力特性，同時通過針對有限元模型的分析，對現有的單層框架民宅的受力特性改善提出建議。

2 計算模型

通過有限元軟件ANSYS對單層框架結構進行靜力響應分析，首先應當建立合適的三維有限元分析模型，這是在進行保障靜力分析結果準確性的一個非常關鍵的步驟。本文研究的單層框架體系結構為北方村鎮的傳統民宅結構，將其主框架體系建立三維有限元模型，該民宅結構的平面示意圖，如圖1所示。

對單層框架式民宅建筑建立有限元基礎模型，其中模型的梁和柱單元均采用單元庫的beam188單元進行模擬，此單元為3節點的單元，對于網格劃分具有很好的適應能力，同時對民宅模型的建模方式采用自上而下的建模方法，其中設定材料的基本參數如下：混凝土的彈性模量為2.2×105 MPa，泊松比為0.28，混凝土容重為2 400 kg/m3，本民宅的建筑高度為3.5 m，樓板層厚度為10 cm。在有限元模型建立完成以后，需要對模型單元劃分網格并進行相應的約束以及荷載加載，在立柱處施加固定約束，樓板的質量以集中力的形式平均加載于各個支撐柱上，對模型施加自重荷載。根據民宅平面圖所建立的有限元模型計算圖，如圖2所示。

3 靜力響應分析

通過對上述模型的加載以后，對該有限元模型進行靜力響應計算。在計算完成以后通過結構通用后處理器可以看到單層框架體系的靜力響應結果，主要可以看到結構的應力、應變（包括彈性應變和塑性應變）、位移等靜力響應結果，對結構求解后所得到的單層框架體系在自重作用下的應力變形結構，如圖3、圖4所示。

根據圖3可以看出，單層框架體系民宅在自重作用下的變形值較小，其最大的變形值僅為3.99 mm，出現在單跨最長的梁跨中處，其余有較大的撓度變形的位置幾乎也出現在各個梁的跨中處，而且單跨梁的跨徑越大，其跨中處的梁的撓度變形值也就越大，這是由于在梁的橫截面相等的情況下，結構兩端都為固定支撐，此時長細比越大其結構剛度也就越大，是符合結構受力變化趨勢的。從圖3中可以看出，在自重靜力作用下，結構體系的柱的整體變形量都不大，這是由于對立柱的下端考慮到有基礎的固向約束均采用固定端進行處理，因此變形的最小值為0，均出現在立柱的最下端，隨著立柱高度的不斷增加，立柱上端的變形值也不斷變大，部分立柱的上端單元出現了較大的位移值。

根據圖4可以看出，單層框架體系民宅在自重作用下的應力值變化較大，最小的應力值為1 782 Pa，出現在跨徑最短的橫梁跨中位置，結構最大的應力值為2.81 MPa，出現在梁與柱的剛節點處，這是由于對于固定端結構跨徑較小時，梁的跨中處所受到的內力相對較小，而梁柱的節點處由于是剛節點，力矩由此傳遞，因此在剛節點處會產生一定的力矩疊加。從圖4中可以看出，在自重作用下，單層框架結構體系的柱的應力較大值會出現在立柱上以及較大跨徑的梁的跨中處，這是因為其中立柱處承受了自身的重力荷載以外還承受了樓板的自重所附加的集中力，立柱主要所受到的是壓應力，同時，立柱的底部有一定的應力作用。梁的變形會受到一定的彎矩，也會產生一定的拉應力。梁體由于本身的自重作用會有一定的梁彎曲拉應力出現，而且最大值會出現在梁跨中處，并且梁的單跨跨徑越大，梁所受到的彎曲拉應力就越大。

4 結 語

通過運用大型通用有限元計算軟件ANSYS對單層框架結構體系對某民宅進行了靜力響應分析，對我國現有的北方村鎮民宅單層框架結構以下提出相關建議。

①分析結構表明單層框架結構體系民宅在自重作用下的變形量出現在單跨最長的梁跨中處，最大變形為4 mm，單跨梁的跨度越大，變形量也就越大，因此在建筑單層框架結構時應該考慮多建設結構性立柱。

②有限元數值模擬的應力值最大值出現在梁柱的剛節點處，為2.81 MPa，因此在梁柱的剛節點處應該加強保護結構。但單層框架結構體系由于立柱較短，所受到的屈曲應力也較小，應力最大值與混凝土受壓容許應力值8～9 MPa相差較多，因此可以認為單層框架結構體系民宅的靜力承載能力較好。

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