基于SolidWorks的裝配式貝雷架結構房屋框架的機械設計

傅海勇，梁建林，胡清根

（1.廣東穗名光電有限公司，廣東 佛山528329；2.江西農業工程職業學院，江西 樟樹331200）

0 引言

近年來，裝配式結構房屋得到國家的大力推廣，目前的傳統裝配式結構房屋框架大都是集裝箱改進而來，主要依靠四個立柱存在受力不均勻的現象，并不能較好地與房屋功能相結合。本文提出：以可裝配式為出發點，結合貝雷架的原理，采用SolidWorks軟件進行結構設計和結構強度分析，通過三維模型結構進行采購物料加工樣板，并對其加工出的樣板進行進一步驗證測試。

1 建立房屋框架三維模型

貝雷架也稱為“裝配式公路鋼橋”，原名叫“321”公路鋼橋，貝雷架是形成一定單元的鋼架，可以用它拼接組裝成很多構建，本文提出裝配式結構房屋框架利用貝雷架的結構原理通過SolidWorks進行三維建模，運用了拉伸，切除，掃描等建模特征得到1.45m×0.3m×0.1m的貝雷架組件[1]，如圖1所示。具體建模步驟為：

圖1 貝雷架組件

（1）調入SolidWorks標準庫里4條1.45m5#號槽鋼，裝配好各4條槽鋼的位置后在槽鋼配合間隙中間拉伸一條長0.3m/20mm×20mm的方鋼，通過兩端截面繪出拉力鋼板，然后在拉力鋼板和20mm×20mm方鋼面上描出一條斜口20mm×20mm方鋼，通過鏡像命令到另一端，形成三角結構力的貝雷架組件[3]；

（2）調用SolidWorks標準庫里2條6m長12#槽鋼和2條3 m長槽鋼進行尺寸裝配，形成一個長6m寬3 m臺階式結構底架；

（3）裝配4條長度3.5m100mm×100mm方鋼立柱，四根立柱分別約束到臺階式底架的四個對角處；

（4）將步驟（1）里裝配好的貝雷架橫向陣列出四個貝雷架后約束到四根方鋼立柱頂部，通過鏡像命令鏡像出第二列橫向四個貝雷架；

（5）將步驟（1）里裝配好的貝雷架豎向陣列出兩個貝雷架后約束到四根方鋼立柱頂部，通過鏡像命令鏡像出第二列豎向兩個貝雷架；

（6）分別裝配入四個L型拉鐵到貝雷架槽鋼的頂部各對角處；

（7）裝配貝雷架連接鋼片到貝雷架各連接處，然后在標準庫里調入螺栓配合到鋼片和各貝雷架連接孔位。

由以上步驟可得到一個L6×W3×H3.5m的框架房屋，房屋頂部為貝雷架連接環繞組成，四周四根方鋼立柱支撐，底部由4條12#槽鋼配合形成的三維模型，如圖2所示。

圖2 房屋框架三維模型

1.1 房屋框架的連接

為了縮小運輸空間和節約運輸成本，同時便于后期的安裝和拆卸，全部采用了螺栓對穿鎖緊固定配合方式，具體為：

（1）貝雷架與貝雷架之間連接利用螺栓對穿槽鋼、鋼板夾緊固定，有較強的牢固性和剛性強度；

（2）立柱與貝雷架之間連接穿透方鋼立柱到貝雷架兩端鋼板鎖緊固定；方鋼立柱采用上下錯位開孔有效避開螺栓干涉問題，從而達到框架整體的形成；

（3）頂部四邊利用折彎成型的L型鈑金件進行對角校正，保證房屋垂直度與平行度；

（4）貝雷架與立柱連接處底焊接三角承重架，一定程度上減少立柱頂部對穿螺絲的拉力，減輕立柱方鋼的螺栓接觸面受力，預防因拉力過大造成方鋼凹陷或變形；

（5）底部槽鋼運用臺階式錯交對穿螺栓鎖緊固定，利用槽鋼橫縱疊加方式固定到方鋼立柱底部形成框架對角結構；

（6）在上下槽鋼的銜接重合處開孔穿透螺栓對穿鎖緊，增加底部剛性強度與垂直度，在頂部與底部布置了角鋼平鋪，通過頂部、底部槽鋼腿邊開孔螺栓連接在方鋼上形成連接，便于后期組裝時鋪板裝簧[2]。

2 裝配式貝雷架結構房屋框架的強度分析

裝配式房屋運用SolidWorks simulation做有限元靜應力分析，材料選用國標Q235B槽鋼與方鋼進行網格劃分求解仿真，在求解模擬仿真過程中為了準確性，選取材料時要設定好材料Q235B槽鋼的密度7.85g/cm3，彈性模量E為200～210GPa，屈服強度為235（厚度或直徑小于等于16mm），抗拉強度σb為370～500MPa，Q235B槽鋼作為市面上通用承重鋼材占有重要地位，有較好的焊接、鉚接性能及綜合機械性能，在選定材料時尤為重要，標準件槽鋼便捷性于靈活搭配各類鋼材，并且在后期量產時方便供應鏈支持，所用的緊固件選取SolidWorks Toolbox標準件云庫的六角螺栓，其物理參數與實際參數一致，有效保證了分析過程運算的材料準確性。

SolidWorks simulation在做分析時進行固定底部槽鋼后，房屋載荷在貝雷架頂部由上往下施加4t重力，各項材料間設定全局結合連接，設置好螺栓固定和各貝雷架焊接設定后，網格劃分密度設定長10mm寬10mm的有效密度，通過simulation網格劃分后進行FFEPlus解算器求解分析出應力云圖，在受到重力下壓時發生材料形變得到屈服強度達2.206e+08（圖3），頂部貝雷架最大位移量13.23mm（圖4）；橫向貝雷架中間跨度較大，受力位移應變最為明顯，于是在貝雷架兩端滿焊鋼板加強貝雷架橫向阻力面積以有效防止重力不均衡而坍塌；在貝雷架橫向受力比較大的同時，貝雷架兩端方鋼處受壓明顯，故在頂部立柱處焊接三角承重架來減輕立柱螺栓的重力下垂，縱向貝雷架最大位移量3.28mm，四根立柱無彎曲無傾斜，承重良好，四根方鋼立柱固定處螺栓受力無變形，整體貝雷架房屋架構結實穩固。

圖3 應力分布圖

圖4 受力位移量

3 制作房屋框架樣板

3.1 樣板制作工藝

裝配式房屋貝雷架運用激光定位開料開孔制作，其精準度較高，槽鋼的孔距和開孔大小的公差能較好地把握，避免開孔不準導致后期裝配困難；激光切割機比普通手工開料切割機優點甚多，普通切割機開料尺寸偏差大，切口不平、毛刺披風大造成焊接難度加大，組裝尺寸不匹配等難點，在焊接時進行工裝夾具定位焊接，有效保證了貝雷架整體的精密度，確保每個貝雷架的長度孔距等尺寸一致，便于后面的組裝和操作。焊接結束后，需要打磨去焊渣，避免焊渣刮手或影響到孔位的栓接，也保證了產品的美觀程度。

3.2 樣板組裝

貝雷架房屋組裝時采取從下往上裝配進行：（1）先將底部長槽鋼和短槽鋼上下孔螺栓穿透連接；（2）固定好底部主體后，把周圍四根方鋼立起貼到底部槽鋼對角交叉處，將螺栓穿過方鋼和槽鋼螺栓固定；（3）固定后方鋼后借助腳手架先將短邊貝雷架兩端焊接鋼片孔位對齊方鋼頂部螺絲孔，然后把螺栓穿過方鋼對接到鋼片鎖緊固定，先鎖上面的孔，后鎖下面的孔，避免貝雷架旋轉掉頭；（4）同理，固定好短邊貝雷架再固定長邊貝雷架，固定到第三、第四個貝雷架時需要用木棒頂住貝雷架底部，慢慢調整貝雷架孔位與方鋼孔位對齊后螺栓固定鎖緊；（5）固定完所有貝雷架后將折彎成型的L型鈑金件對齊貝雷架上端槽鋼開孔處鎖緊固定，拉住貝雷架對角的連接處；（6）將開好孔的角鋼逐一固定在貝雷架上端槽鋼開孔處，形成整體的框架。

4 房屋框架樣板的測試

在裝配好貝雷架房屋后利用現場車間的行吊往貝雷架房屋頂部掛壓已過磅好的鋼片，承重位置在橫向貝雷架中間分析時受力弱點處，隔空懸掛重力下壓，重量達4.1t，在受壓后的貝雷架有輕度下垂，在靜應力分析位移量的數值范圍內，證明實驗與分析無誤，四立柱間并無任何變化，貝雷架與槽鋼連接處受力良好且無異常歪曲，整體房屋結構牢固無擺動，如圖5所示。

圖5 房屋框架樣板的測試

5 結束語

利用貝雷架原理對裝配式結構房屋框架進行結構設計，可承受4.1t的重量，受壓后的貝雷架有輕度下垂，在靜應力分析位移量的數值范圍內，從而使得利用貝雷架原理來進行裝配式結構房屋框架設計受力更加均勻，更加適合應用在快速搭建，臨時組合的用房場所。