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钢网架屋盖结构设计的有限元分析

发布于:2016-09-26 21:52
有限元分析

      近年来,大量集贸市场、活动中心和简易厂房采用了钢网架屋顶结构。在钢网架屋顶结构的相关设计参数初步确定后,如何对参数的可行性和结构的可靠度进行评价是个重要问题。目前在很多建筑设计院中采用中国建筑设计研究院开发的PKPMApp进行检算。本研究基于有限元理论,利用ANSYSApp对钢网架结构进行有限元分析建模、划分网格、加载并求解,对该结构的变形和强度进行检算。
      某集贸市场的屋盖为钢网架结构,由简支的钢网格组成,接头设置在网格的交点处。整个屋盖为32m×32m,由16×16个网格组成,每个网格为2m×2m,网格高1m。所有网格都采用标准构件拼装而成,包括角钢、钢板和中空方钢,接头为钢板加螺栓组成,接头板厚10mm,螺栓为M20型。屋盖顶部采用钢屋面板作为防水材料,厚1.6mm。
      该集贸市场屋盖钢网架结构的平面和立面布置图如图所示,钢网架结构的上、下弦杆,斜杆和竖杆所采用的型钢如图所示,进行计算所用到的参数如表所示。
      通过方程的求解,可得到钢网架结构各节点的位移和结构内各杆件的轴力。本研究钢网架结构各节点的位移对应着结构的变形,钢网架结构内各杆件的轴力对应着结构的强度,结构变形及其强度正是本设计的2个重要指标。有限元理论的具体应用和结构相关参数的求解分析见下文。
      在对具体问题进行有限元分析时,首先要做的就是针对相应问题建立适当的有限元模型,由节点和单元构成的有限元模型与结构系统的几何外形是一致的,其中最主要的是单元类型和形状的选择,以及网格的划分。
      由于钢网架屋顶结构中各杆件在端点处通过螺栓、铆钉、销钉或焊接而连接在一起,故本研究在建模前进行2点假设:一是各杆件均由光滑的杆件和球形节点连接在一起,而且只要连接构件的中心线相交于一点,通过螺栓或焊接而连接的节点都看作光滑的销钉(无弯曲);二是所有外荷载均施加在节点上。
      启动ANSYS程序,依次定义材料、结构实常数和分析单元的类型。打开link1实常数对话框,添加4种link1单元的实常数,钢网架屋顶中上、下弦杆、竖杆和斜杆的截面积分别为0.001 952m2、0.001 35m2、0.000 7m2和0.000 389 2m2。然后输入钢材的弹性模量2×1011及其泊松比0.3,关闭材料本构模型对话框,建立该钢网架屋顶结构的有限元模型,如图所示。
      在建立了有限元模型之后,就可以对模型施加荷载并求解。施加荷载是进行有限元分析的关键步骤之一,可直接对实体模型施加荷载,也可以对网格划分之后的有限元模型施加荷载。本研究采用后者,对网格划分完毕后的有限元模型进行了加载。在ANSYS中对模型施加荷载,可有多种方法,而且通过荷载步选项,可以控制求解过程中如何使用荷载。荷载包括边界条件和模型内外部的作用力,在结构分析中通常有:位移、力、弯矩及温度等。本研究中采用的外荷载为施加于节点上的集中力,边界条件为在模型左端相应节点处x、y两方向无位移(固定铰支座),在右端相应节点处y方向无位移(活动铰支座)。
      根据钢网架屋盖结构的实际受力情况,对结构模型进行加载模拟,在下弦杆各节点处施加方向向下、大小为352.6kN的力,在上弦杆中间部分各节点处施加方向向下、大小为806.4kN的力,在上弦杆两端节点处施加方向向下、大小为403.2kN的力,加上外荷载和相应边界条件后的钢网架结构有限元模型如图所示。
      经本研究分析,得出结论如下:
      (1)在隧道洞外精密控制测量的复测中,对组成的同名基线进行距离和方位角对比可以很验证复测成果是否符合施工精度要求。
      (2)同名基线的验证方法可以有效地反映观测误差对隧道横向贯通误差的影响。
      (3)工程实践证实,同名基线对比分析可避免过于繁琐的内业工作,及时确保施安全和进度。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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