工业厂房单榀门式刚架有限元分析

孟 超 王志骞

(西安交通大学人居学院，陕西西安 710049)

0 引言

轻型门式钢结构是一种重要的结构形式，轻钢结构具有自重轻、材质均匀、制造简单、安装方便等显著特点。随着工业的快速发展和钢结构技术的发展，轻型门式刚架在单层工业厂房中得到了广泛应用，并呈现出跨度大，承载重的发展趋势，因此对门式刚架结构进行承载能力分析显得尤为重要［1］。结合工程实例，对某厂房单榀门式刚架结构建立有限元模型进行弹性、弹塑性以及塑性全范围承载极限能力分析，并且在摇摆柱连接方式的不同以及有无摇摆柱情况下，对结构的受力变形进行了分析。

1 设计资料

所分析结构为图木舒克疆绒纺织有限公司的主厂房门式刚架，位于新疆图木舒克市东工业园。

1)基本风压:W=0.55 kN/m，调整系数为1.05。

2)基本雪压:S=0.45 kN/m，屋面积雪分布系数1.25。

3)屋面恒荷载:0.202 kN/m。

4)屋面活荷载:0.30 kN/m。

5)抗震设防:建筑抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为 0.10g。

2 刚架结构设计图

经过用PKPM结构分析软件对结构进行再次建模分析计算，结果显示各项均满足要求，结构设计没有问题，门式刚架结构设计图见图1。

3 设计荷载作用下的有限元分析假设

为了提高计算速度，降低建模复杂程度，对结构做以下简化:

1)门式刚架的柱底约束方式都为理想铰接;

2)在设计荷载作用下连接螺栓不发生松动，每段梁之间的螺栓连接都为理想刚接;

3)外荷载为全跨均匀分布的线荷载，作用于梁上翼缘中心线上;

4)在设计荷载作用下，各个杆件均处于弹性范围内。

4 有限元模型

本次分析利用的是通用有限元分析软件ANSYS。ANSYS提供的单元类型和建模方式有很多种，不同建模方式的前提条件，考虑方法，计算方法和计算量都不同［2］。根据结构设计资料及假设特点，选用的单元是 Beam189，弹性模量 EX=2.1E11 N/m2，泊松比μ=0.3，密度为7 850 kg/m3。门式刚架结构有限元模型图见图2。

5 摇摆柱上端连接方式不同对门式刚架结构的影响

门式刚架结构设计中，为满足大跨度、大空间设计需要，常常需要在边榀框架设置抗风柱［3］。为节省用钢量，抗风柱一般设计成上下两端铰接的摇摆柱。设置摇摆柱可以同时减小梁柱内力和截面，使结构用钢量更低，受力更合理，然而摇摆柱的设置往往使刚架边柱的长细比超限［4］，为此在不同摇摆柱连接情况下，对门式刚架内力位移用有限元分析软件进行了分析。

5.1 摇摆柱上端刚接

最大竖向位移发生在第一跨跨中偏左部分，位移值为7.24 mm。

钢梁采用的是变截面，由图3可见，在截面大的位置梁的内力大，此时钢材得到充分的利用。最大位移不在跨中也是因为梁的截面非均匀，支座反力表见表1。

表1 支座反力表(一)N

5.2 摇摆柱上端铰接

最大竖向位移发生在第一跨跨中偏左部分，位移值为7.22 mm。PKPM软件计算最大挠度结果为6.16 mm。

钢梁采用的是变截面，由图4可见，在截面大的位置梁的内力大，此时钢材得到充分的利用。最大位移不在跨中也是因为梁的截面非均匀，支座反力表见表2。

表2 支座反力表(二)N

5.3 无摇摆柱

最大竖向位移发生在跨中偏左部分，位移值为117 mm，无摇摆柱变形图见图5，支座反力表见表3。

5.4 分析结论

摇摆柱上部连接方式对门式刚架的受力及变形影响不大，当将摇摆柱去掉以后，门式刚架的变形和受力变化很大。

表3 支座反力表(三)N

6 有限元承载能力分析结果

6.1 弹性范围内的承载极限分析

对本次结构设计方案进行承载能力分析，分析方法采用特征值屈曲分析。具体简化方法与设计荷载作用下的有限元分析相同，分析结果为:

第一阶特征值为1.806 6，则单榀门式刚架的最大承载能力约为:1.806 6 ×900 ÷1.5=1.08 kN/m。从图6 中可以看出，刚架在发生失稳时最容易出现的是面外失稳，特别是在竖向支撑点之间的梁段，所以在进行结构设计时要特别注意这些部位的失稳。

6.2 弹性—弹塑性—塑性全范围内的承载极限分析

这部分建模不对门式刚架进行简化，按照实际结构情况进行建模，并且选用理想Q345钢的本构关系对刚架进行弹塑性和塑性阶段的分析。分析结果如图7所示，弯矩最大出现在梁柱交接处，在本结构设计中梁柱交接处截面扩大是很有必要的，并且需要在此处设置加劲肋，增加局部的强度和稳定性。

通过图8得知，此结构在最终破坏时是发生梁挠度过大从而破坏，并且由图可知发生破坏的只有最外跨的梁，初步判断进行梁设计时存在一定的材料浪费问题，最节省材料的做法是等强度设计。图9反映出，虽然结构最终完全破坏时承载荷载很大，但是在未达到最终破坏前结构的变形已经很大，不能满足正常使用要求。荷载超过2 kN/m时，门式刚架的变形已经急速增加，此时结构的状态便可作为结构的极限承载状态。

［1］李国强，沈组炎.钢结构框架体系弹性及弹塑性分析［M］.上海:上海科学技术出版社，1998.

［2］张洪信.有限元基础理论与ANSYS应用［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［3］GB 50011-2001，建筑抗震设计规范［S］.

［4］CECS 102∶2002，门式钢架轻型房屋钢结构技术规程［S］.