钢结构屋架简化为排架计算的有限元验证

陈浩恩

摘 要：通过分析、研究钢结构铰接排架得出，在设计过程中，通常将钢结构屋架简化为排架来计算，即假设钢结构屋架的刚度EA无穷大。通过应用有限元软件ANSYS分析钢结构屋架的位移，验证此种替代方法的可行性。

关键词：钢结构屋架；排架；有限元验证；位移

中图分类号：TU391 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.097

排架结构是指在单层厂房中主要受力构件是横梁（屋面梁或屋架）、柱和基础，且柱与横梁为铰接、与基础为刚接的结构。在钢结构屋架（以下简称“钢屋架”）设计的过程中，为了简化计算，采用排架进行设计。通常，假定钢屋架的刚度无限大，屋面梁或屋架在荷载作用下沿跨度方向的变形忽略不计。虽然这种假设简化了计算过程，但按排架计算的结果与实际结果是否一致，还有待考究。本文以此为出发点，应用有限元软件ANSYS对两种不同的钢屋架通过在节点处加水平位移的方法进行分析，验证简化计算的可行性。

1 有限元模型的建立

1.1 结构描述

以某工业厂房的钢屋架为例，根据相关资料定义材料的弹性模量E为207 GPa，泊松比为0.3.钢屋架弦杆和腹杆之间均采用焊缝连接，钢柱与屋架的连接为铰接。

厂房一：单层单跨梯形钢屋架，采用Q235碳素钢，跨度15 m，柱高6 m。钢柱截面为HN350 m×175 m×6 m×9 m，屋架上弦为TW75 m×150 m×7 m×10 m，屋架下弦为TW62.5 m×125 m×6.5 m×9 m，腹杆为L50 m×5 m。

厂房二：单层单跨三角钢屋架，采用Q235碳素钢，跨度9 m，柱高4 m。钢柱截面为HN250 m×125 m×6 m×9 m，屋架弦杆为TW50 m×100 m×6 m×8 m，腹杆为L50 m×5 m。图1所示为厂房一和厂房二的结构。

1.2 单元选取

本文利用有限元分析软件ANSYS对钢结构进行有限元分析。在ANSYS中有许多单元类型及建模方式供选择，这里均采用BEAM188对所有结构中的构件进行划分。该单元是两节点三维空间线性单元，每个节点分别有3个平动和3个转动自由度，共6个自由度。

1.3 单元划分

按单元尺寸0.1 m对两种结构进行网格划分。

1.4 边界条件

柱脚约束为固接，屋架与钢柱的连接为铰接，并在软件分析中贵钢柱和屋架两部分进行耦合。

1.5 施加约束

为了研究钢屋架的侧移，在铰接处施加水平位移X=柱高/60，方向为正。

厂房一：在钢柱和屋架的连接处施加水平位移0.1 m。

厂房二：在钢柱和屋架的连接处施加水平位移0.06 m。

2 有限元分析结果

通过在结构一端施加位移，研究钢屋架各关键点处的位移变化量。厂房一和厂房二的位移变形如图2所示。

通过分析得出厂房一和厂房二结构各关键点的位移值分别如表1和表2所示（以坐标轴正向为正）。

3 结论

本文通过利用有限元软件ANSYS对两种不同种类钢屋架模型进行了分析。结果表明，在一侧施加位移时，整个钢屋架的位移量几乎是相同的。因此，在实际设计过程中，用排架取代钢屋架来计算是可取的。

参考文献

[1]孙鹏霄.单层厂房铰接排架计算方法的比较[J].山西建筑，2004，30（17）.

[2]双凯伟.钢结构屋架静力有限元分析[J].山西建筑，2009，35（32）.

〔编辑：刘晓芳〕