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刚接屋架内力简化计算方法的有限元验证


周洪彬 ,等 : 刚接屋架内力简化计算方法的有限元验证

刚接屋架内力简化计算方法的有限元验证
周洪彬   袁建霞   贾丽伟   刘春辉
( 燕山大学   秦皇岛   066004)

王    清 宋曼华
( 包头钢铁设计研究总院秦皇岛分部   秦皇岛   066004)

摘    要 平面桁架常作为承重结构用于工业建筑的屋盖体系中 。对屋架内力进行快速有效的计算是设计过程的 核心问题之一 。应用有限元软件 ANSYS 对某工程钢屋架的受力情况进行分析 ,并将其结果与采用简化计算方法 得出的结果进行了对比 ,验证了该方法的可行性 。 关键词   刚接屋架   有限元   内力

VERIFICATION FOR SIMPL IFIED RIGIDLY CONNECTED ROOF TRUSS D ESIGN METHOD BY FINITE EL EMENT METHOD
Zhou Hongbin  Yuan Jianxia   Liwei   Chunhui Jia Liu
( Yanshan University   Qinhuangdao   066004)

Wang Qing   Song Manhua
(Qinhuangdao Branch , Baotou Engineering and Research Corp . of Iron and Steel Industry   Qinhuangdao   066004)

ABSTRACT  Plane truss is a major style of sustainable system for roof . How to design steel roof truss effectively has become one of t he critical problems. The ANSYS software is used to simulate mechanical state of a practical project . And t hen t he result of ANSYS is compared wit h t he result by t he simplified met hod to verify t he practicability of t his simplified met hod. KEY WORDS   rigidly connected roof truss    finite element    internal force

1  工程概况

+ 全跨积灰荷载 + 悬挂吊车荷载 + 天窗架传来的风 荷载 + 由框架内力分析得到的屋架水平力 ] ;3) 全跨

某单层三跨钢结构厂房 , 总长 168m , 两端山墙 为封闭式 , 端部墙架柱均 设 支 撑 。厂 房 跨 度 3 ×
30m ,柱距 8 ×18m + 2 ×12m 。中间跨钢屋架两端

永久荷载 + 半跨屋面活荷载或雪荷载 ( 二者取大) + 半跨积灰荷载 + 悬挂吊车荷载 ; 4 ) 屋面为预制大型 屋面板 ,且屋架跨度大于 24m 时 , 应考虑安装过程 中可能出现的荷载组合 ; 5 ) 坡度 1/ 8 的轻屋面尚应 考虑屋面风荷载的影响 ; 6 ) 地震地区跨度大于 24m 的屋架按抗震规范考虑竖向地震力组合 。 对于与柱刚接屋架 , 不但需按与铰接屋架相同 的荷载组合进行计算 ,在组合 2) 中除由框架传来的 水平力影响外 ,尚应计入端弯矩的不利作用 ,此时应 分别取用下述不利组合 : 1) 主要使下弦受压的组合 ,见图 1a ; 2) 使上下弦内力增加的组合 ,见图 1b ; 3) 使主斜腹杆最不利的内力组合 ,见图 1c ; 4) 将框架水平力全部加在下弦杆 , 这样计算结 果往往偏于安全 ,使下弦杆由拉变为压 ,按压杆进行 计算 。

与柱刚接形成钢框架 ; 边跨钢屋架一端与边柱刚接 形成Γ 形框架 ,另一端再与中间跨钢屋架的框架柱 铰接 。厂房檐口标高 19. 80m 。钢屋架下阶柱为双 肢缀条式格构柱 ,上阶柱为实腹式工字形截面柱 。
2  屋架内力计算方法 [ 1 ] 211   基本假定 212   荷载组合

屋架计算时的基本假定为 :1) 节点均为铰接 ;2)

所有杆件轴线位于同一平面内 ,且同心交汇于节点 ; 3) 荷载均作用于节点 , 弦杆节间荷载等效作用于相 邻节点 。

对于与柱铰接的屋架 ,计算内力时荷载组合为 :

1) 全跨永久荷载 + 全跨屋面活荷载或雪荷载 ( 二者

取大) + 全跨积灰荷载 + 悬挂吊车荷载 ;2) 全跨永久 荷载 + 0185[ 全跨屋面活荷载或雪荷载 ( 二者取大 )
Steel Construction1 2005 ( 5) , Vol120 , No181

第一作者 : 周洪彬     男 1955 年 5 月出生   教授 收稿日期 :2005 - 04 - 28

9

工程设计

a

b

a - 有天窗屋架 ; b - 无天窗屋架

图2  有限元模型

   屋架上作用的荷载有恒载 G 、 屋面荷载 R ( 屋 面活荷载或雪荷载和积灰荷载) 、 吊车荷载 C ( 吊车 水平力和竖向力) 、 风荷载 W , 考虑可变荷载作用位
c

图1  最不利组合示意

3  屋架内力的有限元分析

置及方向的不同 , 共有 17 种荷载作用情况 , 利用有 限元软件 ANS YS ,将 17 种荷载作用情况按 17 种荷 载步施加于计算模型上进行计算 , 再利用 ANS YS 软件的 APDL 语言编程 ,计算 96 种荷载组合情况下 的屋架内力 ,从而求得整体分析情况下的三跨刚接 钢屋架在荷载作用下的真实内力 。 312   基于新旧荷载规范的内力计算结果 为了与文献 [ 1 ] 结果进行比较 , 采用与文献 [ 1 ] ( 相同的荷载组合 ,即 《建筑结构荷载规范》 GBJ 9 87) 进行有限元分析 , 同时也依据新的 《建筑结构荷 ( GB 50009 - 2001) 的荷载组合进行了有限 载规范》 元分析 ,求得屋架 ( 杆件编号见图 3 ) 在荷载作用下 的真实内力如下表 1 所列 。
kN
杆单 元号
31 17 18 19 20 30

为了真实模拟屋架的受力情况 , 取一榀三跨屋 架进行整体有限元分析 。采用 Shell63 单元模拟格 构柱 ,Beam188 单元模拟格构柱的角钢缀条 ,Link8 单元模拟屋架各杆 ,各柱脚均为刚接 ,其有限元模型 如图 2 所示 ,其中图 2a 为结构的真实模型 ; 图 2b 为 结构的简化模型 , 天窗的作用用荷载代替 , 为文献 [ 1 ] 所采用的模型 。

311   计算模型
构件 上弦 杆单 元号
16 7 (8) 9 (10) 11 (12) 13 (14) 15

图3  屋架杆件编号

表1  钢屋架中间跨各杆内力
有限元分析内力 有天窗 无天窗 1 000 旧 1 080 1 033 新 1 033 - 295 旧 - 333 - 306 新 - 347 - 569 旧 - 635 - 578 新 - 648 - 303 旧 - 343 - 225 新 - 225 - 571 旧 - 638 - 581 新 - 581 1 000 旧 1 034 1 034 新 1 099 文献 [ 1 ] 内力
1 338 - 853 - 1 033 - 853 - 1033 1 146

构件 斜杆

旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新

旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新

10

钢结构   2005 年第 5 期第 20 卷总第 81 期  

有限元分析内力 有天窗 无天窗 - 827 旧 - 903 - 879 新 - 878 625 旧 675 705 新 650 - 421 旧 - 445 - 421 新 - 421 175 旧 184 163 新 163 - 6113 旧 - 35 - 94 新 - 1319 - 5618 旧 - 3016 - 5912 新 - 3215

文献 [ 1 ] 内力

- 1 018 750

- 489 247

- 118 - 119

周洪彬 ,等 : 刚接屋架内力简化计算方法的有限元验证 续表 1
构件 下弦 杆单 元号
6 1 2 (3) 5 4

旧 新 旧 新 旧 新 旧 新 旧 新

有限元分析内力 有天窗 无天窗 - 685 旧 - 730 - 601 新 - 601 419 旧 435 463 新 463 478 旧 483 560 新 560 427 旧 442 470 新 470 - 669 旧 - 714 - 689 新 - 735

文献 [ 1 ] 内力
- 1 043 993 977 993 - 762

构件

杆单 元号
27 26 25 24

旧 新 旧 新 旧 新 旧 新

有限元分析内力 有天窗 无天窗 170 旧 179 173 新 183 - 415 旧 - 439 - 420 新 - 446 618 旧 668 641 新 678 - 850 旧 - 929 - 900 新 678

文献 [ 1 ] 内力
237 461 711 - 9615

( (    : 其中 注 “新” 《建筑结构荷载规范》 GB 50009 - 2001) 计算结果 “旧” 《建筑结构荷载规范》 GBJ 9 - 87) 计算结果 。 为按 ; 为按

4    结 论

通过将有限元分析结果与文献 [ 1 ] 结果进行比 较可以看出 : 1) 屋架上弦除 15 、 杆外均受压 , 下弦杆除 4 、 16 6 杆外均受拉 , 这表明与柱刚接钢屋架和铰接钢屋 架的上下弦杆件受力不同的特点 , 这是由于刚接钢 屋架受到框架作用的水平力和端弯矩的作用 , 改变 了屋架端部上下弦杆件的受力性质 ,证明了文献 [ 1 ] 关于刚接钢屋架内力计算荷载组合的假设是符合实 际情况的 。 2) 刚接钢屋架有限元整体分析结果和文献 [ 1 ] 计算结果相比杆件的内力性质相同 , 但具体数值存 在较大差别 , 大多数杆件的误差在 40 %左右 , 最大 的可达 70 %以上 , 这可能是由于文献 [ 1 ] 将框架作
( 上接第 3 页) 2) 将隅撑作为刚架横梁受压下翼缘的侧向不动

用于屋架的水平力全部作用于下弦杆所引起的 。 3) 对比表 1 中有天窗钢屋架和无天窗钢屋架中 间跨各杆内力有限元分析结果可见 ,内力性质不变 , 但有天窗钢屋架中间跨各杆内力数值稍有降低 , 这 可能与有天窗屋架的刚度稍大有关 。 ( 4) 依据 “新规范” GB 50009 - 2001) 与依据 “旧 ( 规范” GBJ 9 - 87) 计算的结果基本上相差不大 。 由上述分析可见 , 文献 [ 1 ] 的结果偏于保守 , 有 必要改变计算方法 ,降低钢材的用量 ,达到节约钢材 的目的 。
参考文献
218

1  宋曼华 . 钢结构设计与计算 . 北京 : 机械工业出版社 ,2001. 204 ~

参考文献
1  CECS 102∶ 2002   门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 2  GB 50018 - 2002   冷弯薄壁型钢结构技术规范 3  (04SG 518 - 3)   门式刚架轻型房屋钢结构 ( 有吊车) 4  DBJ 08 - 68 - 97   轻型钢结构设计规程 5  GB 50017 - 2003   钢结构设计规范

支承点 ,必须加强其支承的檩条 , 反之 , 不宜考虑隅 撑的 作 用 。对 一 般 门 式 刚 架 , 如 国 家 标 准 图 04SG518 - 3 计算中未考虑隅撑的作用 ,檩条也未加 强 ,而取 l y = 0 . 4 l 作为横梁受压下翼缘的侧向支承 长度 ,此时只是按构造设置隅撑 。

网络为钢铁业提供发展新机遇

业内人士指出 ,网络经济的发展必然对处于调整期的传统产业形成强有力的冲击 ,它将引发企业经营者经济意识的开拓 和经营理念的转换 ,进而引导行业结构和发展方向的变化与调整 。钢铁企业应当抓住这个机遇 , 在企业经营 、 管理和销售等 方面形成创新 ,有效利用网络对企业的结构调整进行整合 。 目前 ,国内一些创新意识很强的钢铁企业已经在考虑向信息产业发展 ,在自身的结构调整中融入网络的概念已经被一些 企业确立为下一步调整的明确意向 。首钢 、 邯钢等大型钢铁企业已经开始利用网络进行企业管理及开展电子商务等业务 。 另外 ,由中国钢铁工业协会牵头 、 计划由 12 家钢铁企业发起的 “中国钢铁行业电子商务公司” 也正在筹备之中 。
Steel Construction1 2005 ( 5) , Vol120 , No181

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