不同截面形式钢桁架承载能力分析

张 懿 婷

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

不同截面形式钢桁架承载能力分析

张 懿 婷

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

为研究不同截面形式对钢桁架承载能力的影响，根据重力相等原则，运用ANSYS对空心圆形、空心矩形以及工字形三种截面形式钢桁架进行有限元分析，并得到了不同截面形式的钢桁架应力以及变形规律，指出不同截面形式下的钢桁架结构的承载能力有很大的差异。

钢桁架，截面形式，结构应力，结构变形

0 引言

钢桁架梁由于其充分发挥钢材的拉力以及压力，能够节省材料，减轻结构自重等特点，因此被广泛用于工业建筑的屋架，桥梁以及输电塔当中。因此对钢桁架的承载能力研究是十分重要的。本文立足于探讨不同截面形式对钢桁架结构承载能力的影响，研究了钢桁架在圆形、空心矩形以及工字形三种截面形式下的应力以及变形的不同，并通过钢桁架的位移云图以及应力云图中得到了相关承载能力。

1 有限元模型

对钢桁架结构进行有限元分析，首先应该建立精确的有限元计算模型。本文以一个跨度为10 m的钢桁架结构为例，结构梁高1.5 m，主要由上弦杆、斜腹杆以及下弦杆构成，结构的材料为钢材，设置相应的材料参数，其中弹性模量为210 GPa，泊松比为0.27，钢材密度设置为7 850 kg/m3，钢桁架结构所用单元为材料库中的Beam189。对于结构横截面，为了消除自重作用对最后承载能力的影响，采用重力相等原则，设置三种横截面，分别为空心圆形截面、空心矩形截面以及工字形截面，其中空心圆形的内径为8 cm，外径为10 cm；空心正方形的外径10 cm，内径8.47 cm；工字形截面的翼板长10 cm，厚1 cm，腹板长8.26 cm，厚1 cm。本例采用由下至上的建模方式，建立的有限元模型以及相关节点号如图1所示。

建立好钢桁架结构的有限元模型后，需要对模型进行网格化划分并且施加边界条件约束。本例结构对其做简支钢桁架梁处理，

对整体结构施加重力作用，并在8～10节点上施加3 000 N向下的集中荷载。

2 不同截面钢桁架结构应力分析

通过对所建立的有限元模型进行加载，加载以后可以得到钢桁架结构的应力以及变形情况，对结构求解以后可以通过通用后处理中看到不同截面钢桁架应力云图如图2所示。

根据图2可以看出，钢桁架结构在不同的截面形式下的应力云图差别较为巨大，由于结构为对称型结构，因此应力云图也基本呈现出对称型。其中圆形截面桁架结构以及工字形截面桁架结构的应力分布不太均匀，矩形截面桁架结构各个杆件的应力分布较为均匀。对于圆形截面桁架结构，应力最大值出现在对称轴中点的上弦杆节点处，产生的最大应力为1.33 MPa，最小应力值产生在支点附近，产生的最小应力为1 520 Pa；空心矩形截面桁架结构的应力最大值出现在11节点处，最大应力值为1.13 MPa，应力最小点出现在6节点与10节点之间的斜腹杆处，最小应力值为218.2 Pa；对于工字形截面桁架结构，其应力最大值出现在5节点处，最大应力值为4.14 MPa，最小应力值出现在3节点与5节点之间的上弦杆处，产生的应力值为4 456 Pa。

3 不同截面钢桁架结构变形分析

对钢桁架结构进行求解后，通过通用后处理对钢桁架结构有限元模型进行查看，所得到的结构变形云图如图3所示。

从图3可以得到不同截面的钢桁架结构变形特性，三种不同截面形式的钢桁架结构的变形有较大的差距，结构变形均为对称型变形，由于结构施加了简支梁的约束，因此三种截面的钢桁架变形的最小值均在支点处，变形量为零。空心圆形截面桁架结构与空心矩形截面桁架结构的变形云图较为相似，并且变形分布很不均匀，其中处于靠近轴中心杆件与节点的变形量较大，处于支点附近的杆件与节点的应力变形较小。圆形截面桁架结构的最大变形处于轴中心的6节点处，最大变形值为1.7 cm，工字形截面桁架结构的最大变形值出现在9节点处，最大变形值为1.12 cm；根据空心矩形结构桁架结构的变形云图可以看出，此种结构的各杆件变形分布较为均匀，变形较大的点主要出现在上、下弦杆的跨中处，其中最大变形值出现在2节点与11节点的下弦杆跨中处，出现的最大变形值为0.258 cm。

4 结语

通过有限元计算软件ANSYS对空心圆形、空心矩形以及工字形三种不同截面的钢桁架结构进行有限元分析，根据计算得到的应

力云图以及位移云图可以看出三种结构的承载能力有较大的差异。其中圆形截面结构和工字形截面结构的应力以及变形分布很不均匀，矩形截面结构的应力以及变形分布相对均匀。三种截面的应力极值大小顺序为：工字形截面>圆形截面>矩形截面，矩形截面的应力极值要远小于其余两种截面；其中三种截面的变形极值大小顺序为：圆形截面>工字形截面>矩形截面，矩形截面结构的变形极值较其余两种截面结构形式的变形极值要小得多。

钢桁架结构在工程中发生破坏的原因除了承载能力不足以外，还与其动力特性、温度应力，设计合理性以及施工技术的成熟性有关，在实际设计和施工中应当加以注意。

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Analysis of bearing capacity of steel truss in different section

Zhang Yiting

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the influence of different section forms on the steel truss bearing capacity, according to the principle of equal gravity, using ANSYS of hollow circular, rectangular hollow and the Ⅰ-shaped three section of a steel truss by finite element analysis, and get different section forms of steel truss stress and deformation, points out that the different section forms of steel truss structure bearing capacity has great difference.

steel truss， cross section form， structural stress, structural distortion

2015-09-13

张懿婷(1995- )，女，在读本科生

1009-6825(2015)33-0052-02

TU312

A