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裝配式鋼結構桁架梁承載力性能研究

日期:2019年5月25日 16:44

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  有資料顯示,到2030年全球城鎮化率將會超過30%,屆時,住房及其配套的基礎設施需求都將成為全球城市建設的主要挑戰之一。為滿足城鎮化進程快速的要求,住宅產業化是一條切實可行的道路。2016年,全國共生產粗鋼8.23億噸,我國粗鋼產量已占世界鋼產量的50.26%。在經濟減速、增長結構變化,主要用鋼行業需求放緩的情況下,鋼產量居高不下,抑制了鋼材價格。在鋼材產量上升、價格下降,國家倡導建設新型城鎮化的背景下,裝配式鋼結構住宅必將得到迅速發展。 

一、有限元模型

  第一,幾何模型。為了對比不同跨度下、不同弦桿尺寸下鋼桁架梁的受力性能,我們分別建立3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米5種跨度下的鋼桁架梁,鋼桁架梁均采用Q235鋼材,有限元模型采用solid187實體單元。

  第二,材料本構模型。應力應變關系采用三折線模型來模擬,它可以模擬多線性隨動強化效應,考慮包辛格效應,模型分析采用Mises屈服準則及相關流動準則。

  第三,網格劃分。本鋼桁架梁模型的主體部分桿件多、形狀不規則,采用solid187四面實體單元,它是高階3維10節點固體結構單元,在二次位移模式下可以更好地模擬不規則桁架梁。選擇合理網格密度進行自由網格劃分;為防止過渡部分單元畸形,彈性墊塊同樣選用自由網格,劃分為四面體單元,以實現計算效率和精度的平衡。

  第四,邊界條件。桁架梁兩端柱座底下分別添加剛性墊塊,為了模擬梁兩端柱座底下的鉸接支座,對剛性墊塊進行鉸接線約束,對墊塊底部面中軸線上所有節點的x、y、z 方向平動自由度進行約束。

  第五,加載制度。對桁架梁進行非線性靜力分析,求解采用力收斂準則,應用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧長法進行非線性求解,打開自動時間步長控制及線性搜索利用建立的有限元模型,對桁架梁施加均布面荷載,整個加載分施加重力荷載、在桁架梁上弦上表面施加均布面荷載兩個荷載步。

 二、有限無計算結果分析

 

  運用大型通用有限元軟件ANSYS建立跨度3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米的精細非線性有限元模型。該模型采用靜態分析,在求解過程中,考慮模型的幾何非線性、材料非線性以及應力剛化效應,求解類型選擇“大變形靜力”,迭代方式按照默認選項,輸出計算的所有的荷載步和子步的結果。

  第一,應力分布。通過有限元非線性分析,對裝配式鋼結構桁架梁在豎向荷載下的極限承載能力、變形特性和破壞形態進行探究,從而找到桁架梁的受力薄弱區域,對應力分布和發展規律做進一步研究,從本質上獲得鋼桁架梁的工作性能和破壞機理。

 

  試驗結果顯示,5種跨度的桁架梁在極限荷載作用下的應力分布規律基本一致,同種跨度下不同弦桿尺寸的桁架梁在極限荷載作用下的應力分布規律也基本一致。弦桿應力大于腹桿,弦桿受壓承受彎矩,腹桿受剪力,所有桁架梁滿足規范“強剪弱彎”的設計要求。

  第二,變形情況。由于鋼桁架梁位移主要體現在豎向撓度上,因此得到極限荷載作用下的z向位移云圖。

  實驗顯示,極限豎向荷載作用下, z向位移最大值位于梁跨中弦桿處??綞仍醬?、弦桿尺寸越小,跨中位移越大,但總體的變形分布規律一致??悸塹絲向位移在整體變形中起控制作用,故提取5種跨度梁的z向位移最大點的z向位移及對應的豎向荷載值,繪制各跨度桁架梁的荷載位移曲線。

 

  試驗顯示,各個跨度下桁架梁模型z向荷載位移曲線發展趨勢基本一致。豎向荷載較小時,荷載—位移曲線成線性分布,結構處于彈性階段;隨著荷載逐漸加大,桁架梁跨中上弦桿先達到屈服;繼續加大豎向荷載作用,桁架梁跨中弦桿處屈曲變形急速增長,表現出塑性特征。

  通過試驗可以看出,增加弦桿尺寸可以有效地增大桁架梁的承載力,但也不是無限的增加。幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右,使得構件從屈服到破壞有一定的安全空間,可保證構件安全有效。

 

三、結論

 

  通過對鋼桁架梁進行靜力非線性分析,對比跨度及桿件尺寸對桁架梁受力性能的影響,研究桁架梁在荷載作用下的應力分布和變形情況,得到以下結論:

  第一,通過對比分析可知,鋼桁架梁隨著跨度增大,極限承載力逐漸減小,但各個跨度下桁架梁在極限荷載作用下的應力分布及變形規律基本一致。

  第二,適當增大弦桿尺寸,在保證結構合理破壞模式前提下,能有效地提高桁架梁的極限承載力。

   第三,鋼桁架梁破壞時塑性區主要在跨中弦桿處,而腹桿相對受力較小,跨中弦桿先于腹桿破壞,滿足“強剪弱彎”的設計要求。

  第四,幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右,說明構件從屈服到破壞有一定的安全儲備空間,可保證構件安全有效。


 

所屬類別: 行業新聞

該資訊的關鍵詞為:裝配式鋼結構 

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