溫度變化對于門式剛架的應(yīng)力變形影響分析

高 冉 蘇義坤

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

溫度變化對于門式剛架的應(yīng)力變形影響分析

高 冉 蘇義坤

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了研究外界溫度變化對于門式剛架的應(yīng)力變形的影響，以某門式剛架為研究對象，通過大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立靜力分析模型，對于有限元模型施加溫度荷載以及約束進行計算，結(jié)果顯示，在外界溫度降低的過程中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形有很大的改變，可以為門式剛架的設(shè)計提供相關(guān)的參考依據(jù)。

溫度，門式剛架，應(yīng)力，變形

0 引言

門式剛架是一種常用的建筑結(jié)構(gòu)體系，由于門式剛架結(jié)構(gòu)具有受力明確、形式簡便、結(jié)構(gòu)輕型耐用、易于施工、節(jié)省施工周期等優(yōu)勢，因此常用于單層廠房、超級市場、庫房、倉庫等地區(qū)。在低溫地區(qū)門式剛架的溫度變化對于結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)得到了重視，門式剛架在變化的溫度環(huán)境中，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的溫度變形以及溫度應(yīng)力。

本文為了探究外界溫度變化對門式剛架的應(yīng)力以及變形的影響，通過建立有限元模型，研究了門式剛架在室內(nèi)溫度維持在25 ℃時，外界環(huán)境從20 ℃～-40 ℃的溫度荷載下結(jié)構(gòu)的變形以及應(yīng)力，并從應(yīng)力云圖以及位移云圖中得到了相關(guān)結(jié)論。

1 計算模型

利用ANSYS對門式剛架結(jié)構(gòu)進行溫度響應(yīng)分析，建立準確合適的門式剛架的有限元模型是最為關(guān)鍵和基礎(chǔ)的一步。本例建立一個跨度為10 m，高5 m的門式剛架，建立其二維計算模型，模型采用材料庫中的Plane182單元進行模擬，采用自下而上的建模方式，建好平面以后對模型進行網(wǎng)格劃分并施加約束，本例對門式剛架施加固定約束并且施加自重荷載。所建立的門式剛架的有限元模型如圖1所示。

2 溫度變化對門式剛架應(yīng)力影響

由于外界環(huán)境溫度會發(fā)生較大的變化，門式剛架的內(nèi)外溫度會有一定的差異，這就會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一定的溫度變形以及溫度應(yīng)力。定義門式剛架的線膨脹系數(shù)為1.3×10-5，為了模擬實際荷載情況，定義門式剛架內(nèi)部為20 ℃，門式剛架的外部參考溫度以10 ℃為一個變化梯度從-40 ℃～20 ℃將溫度荷載加載到結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)進行求解后查看門式剛架的總體應(yīng)力，其中門式剛架在外界溫度為20 ℃的應(yīng)力云圖如圖2a)所示；在外界溫度為-40 ℃的應(yīng)力云圖如圖2b)所示，其中由于溫度梯度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值的變化如圖3所示。

從圖2以及圖3可以看出溫度變化會引起較大的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力產(chǎn)生。雖然門式剛架最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置并未發(fā)生改變，均出現(xiàn)在門式剛架的固定支座附近，但是其數(shù)值的變化較大，在20 ℃時結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為97.6 MPa，當(dāng)外界溫度降至-40 ℃的時候，門式剛架的最大應(yīng)力即為201 MPa。隨著外界溫度發(fā)生改變，門式剛架的最小應(yīng)力的位置有一定的變化，在外界溫度較高時，此時的最小應(yīng)力出現(xiàn)在剛架柱底部，當(dāng)外界溫度變低時，門式剛架最小應(yīng)力出現(xiàn)在斜梁剛節(jié)點附近。從圖3可以看出，隨著外界溫度的降低，結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差越大，此時門式剛架的最大應(yīng)力會逐步增大，而且溫度附加應(yīng)力隨著溫度的降低而不斷增大，呈現(xiàn)出指數(shù)型分布。

3 溫度變化對門式剛架變形影響

為了進一步研究門式剛架在溫度改變時引發(fā)的溫度內(nèi)力對于結(jié)構(gòu)的影響，對溫度作用效益引起的門式剛架的變形進行分析。同樣剛架內(nèi)部溫度保持20 ℃不變，改變門式剛架的外界溫度，以10 ℃為一個變化梯度從-40 ℃～20 ℃將溫度荷載加載到結(jié)構(gòu)中，對模型進行求解后查看門式剛架的總體變形情況，其中門式剛架在外界溫度為20 ℃的變形云圖如圖4a)所示；在外界溫度為-40 ℃的變形云圖如圖4b)所示，其中由于溫度梯度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最大變形值的變化如圖5所示。

從圖4以及圖5可以看出溫度變化會引起較大的結(jié)構(gòu)變形的改變。雖然門式剛架最大最小變形出現(xiàn)的位置并未發(fā)生改變，最小值出現(xiàn)在固定支座附近，最大值出現(xiàn)在剛架頂端剛節(jié)點處，但是其位移的最大值有較大的變化，在外界參考溫度為20 ℃時剛架的最大變形為1.357 mm，而外界溫度為-40 ℃的時候，門式剛架的最大變形為0.829 mm。在外界溫度為20 ℃，結(jié)構(gòu)變形分布較為均勻，剛架變形量自上而下減少，但當(dāng)外界溫度較低時，在斜梁上出現(xiàn)了較大的變形突變，因此易于受損。從圖5中可以看出隨著門式剛架外界溫度的降低，結(jié)構(gòu)的最大變形處于一種線性遞減的趨勢，這是由于當(dāng)外界溫度降低，產(chǎn)生了一定的溫度差，此時引起的溫度變形抵消了一部分重力引起的變形，從這個角度考慮對于結(jié)構(gòu)整體變形較為有利。

4 結(jié)語

外界溫度降低，室內(nèi)溫度保持不變時，對于門式剛架的應(yīng)力以及位移會有較為明顯的影響。當(dāng)門式剛架內(nèi)外具有溫度差時，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值會隨著溫度差的增大呈現(xiàn)出指數(shù)式的增長，最大位移則會出現(xiàn)在斜梁頂部的剛節(jié)點處，且由于溫度變形抵消了一部分重力引起的變形，門式剛架的最大變形值會隨著溫度差的增大呈現(xiàn)出線性的下滑。

[1] 李眾徹，孟慶超，何鈺龍.溫度變化對人字形鋼桁架的應(yīng)力及變形分析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2014(5):15-16.

[2] 許樹峰.高層建筑結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的簡化計算[J].低溫建筑技術(shù)，2007(6)：65-66.

[3] 王 洋,郝志軍.ANSYS在土木工程應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[4] 張 君.不同保溫形式墻體溫度場數(shù)值模擬與分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2009,30(12)：1356-1365.

[5] 馮秀苓.高層建筑結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析[J].煤炭工程,2006(4)：76-78.

Analysis of stress and deformation about portal frame under the change of temperature

Gao Ran Su Yikun

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the effect of stress on the changes of external temperature deformation of the portal frame, a portal frame as the research object, through large-scale finite element analysis software ANSYS to establish the model for static analysis, the finite element model is applied to calculate the temperature load and constraint. The calculation results show, in the process of lowering the temperature of the outside world, the structure deformation and stress change a lot. The conclusions can provide reference for the design of portal frames.

temperature, portal frame, stress, deformation

2015-04-03

高 冉(1992- )，男，在讀本科生； 蘇義坤(1972- )，男，博士，教授

1009-6825(2015)17-0023-02

TU311

A