轻钢结构临建房屋有限元计算分析

马永超　蔡雪峰　张铮　赵剑

(1.土木工程学院重点实验室(福建工程学院)　福建福州　350118；2.福州大学土木工程学院　福建福州　350117)



轻钢结构临建房屋有限元计算分析

马永超1，2蔡雪峰1张铮1赵剑1

(1.土木工程学院重点实验室(福建工程学院)福建福州350118；2.福州大学土木工程学院福建福州350117)

基于有限元分析软件Ansys提出了有限元模型建立方法，计算和分析了轻钢结构临建房屋骨架结构的水平侧移，以及2层及3层轻钢结构临建房的水平侧移。计算结果表明，所采用的有限元计算模型建立方法正确合理，轻钢结构临建房屋在设计荷载作用下的水平侧移能满足规范要求。

轻钢结构临建房屋;水平位移;有限元分析(FEA)

0　引言

临建房屋的历史可以追溯到古代，起源于民间，由于其具有结构简单、对场地要求低、基础设置简单、拆装方便和可循环利用[1]，这些特点渐渐地广泛应用于民用、军事等领域。临建房屋较之传统固定房屋和临时工棚，根本区别在于可以反复架设和拆迁，在实用性和经济指标上，都具有较大优越性。它的建设速度快，在标准化设计、适用性和机动性、工厂化生产等方面具有优越性。

目前针对临建房屋的研究主要集中在结构和材料两个方面。

一是致力于结构形式简单、受力合理，体积小、便于搭设与拆除的结构形式；

二是努力提高结构强度以及保温隔热性能和减轻结构重量；而对于已经存在并广泛应用的轻钢结构临建房屋的理论研究却相对缺乏。

临建房屋的设计没有明确的设计理论作为指导，现场安装的质量好坏很难做出评判，验收标准也没有明确的标准依据，往往是设计者根据设计方案的要求，结合自身的设计经验，参考一些类似工程的设计方案来确定结构方案。

为了对轻钢结构临建房屋进行计算，本文在试验研究的基础上提出有限元模型建立方法。将计算结果与试验结果相验证，以检验模型建立的正确性，并在此基础上扩展计算，以分析不同尺寸房屋的水平位移。

1　房屋构造

房屋由骨架结构和围护结构两部分组成。轻钢结构临建房屋的骨架结构构件是由冷弯薄壁内卷边型钢(冷弯薄壁C型钢)组成。安装时，首先将基础梁进行固定，再将各构件通过螺栓进行连接。完成骨架的安装之后，进行围护结构安装。在两根立柱之间的墙体有3块墙面板组成，墙面板直接插在柱截面预留的卡槽之中，之后再用玻璃胶进行嵌缝处理，墙面板安装如图1所示。墙面板采用50mm厚的彩钢夹芯板，其中内外均为0.326mm厚的Q235彩钢板，中间为聚苯乙烯夹芯层。

2　有限元建模计算

2.1有限元模型建立

在进行单元类型选择时，根据各单元的特点[2]和需要模拟的构件的实际情况进行综合考虑。对于轻钢结构临建房屋的骨架结构采用BEAM44单元进行模拟。交叉支撑使用LINK10单元进行模拟，由于斜撑的受力特点将其设置为仅承受拉力。轻钢结构临建房屋的围护结构采用SHELL63单元进行模拟，该单元具有薄膜及弯曲特性，能够承受法向荷载和平面内荷载。SHELL63单元有4个节点，每一个节点均具有6个自由度即：沿着节点坐标系x、y、z的平动以及沿着节点坐标系x轴、y轴、z轴的转动。同时SHELL63单元具有大变形及应力刚化功能。

轻钢结构临建房屋的骨架结构采用的钢材为Q235钢，屈服强度为235MPa。在建立模型时BEAM44单元的弹性模量定义为206GPa，泊松比定义为0.3，密度定义为7.85g/cm3。LINK10单元采用相同的材料特性。复合屋面板和墙面板的材料特性采用折算后的数值，考虑到前面板平面外在水平荷载作用下受弯，而山墙处墙面板在荷载作用下在平面内发生剪切，因此通过改变弹性模量来区别两者的工作性能。迎风面及背风面折算后的弹性模量为42 000N/mm2，泊松比为0.35，厚度为40mm，密度为12kg/m3；山墙处及屋面板壳单元的算后的弹性模量为9.5N/mm2，泊松比为0.35，厚度为40mm，密度为12kg/m3。

考虑到墙面板边缘与立柱在垂直墙面板面方向上发生的共同位移，在设置壳单元时使其与模拟立柱的梁单元在节点处进行了垂直板面方向的自由度耦合。为了简化将荷载作用面的墙面板视为是一个整体，通过对山墙处墙面板及屋面板同一位置重复节点的耦合，模拟墙面板或屋面板之间连接形成的缝隙。山墙处墙面板及屋面板，在垂直于板面方向的自由度进行耦合。

2.2计算模型验证

模型建立完成之后施加相当于0.7kN/m2风压作用下的水平荷载，并将得到的计算结果与试验结果[3]进行对比分析。加载如图2所示。经过计算得到房屋的位移云图如图3所示，为了进行模型的验证在柱顶选取4个测点对其水平位移进行比较，测点位置如图4所示。

计算结果显示，整体结构在荷载作用下最大的水平位移发生在迎风面墙面板的中上部位。墙面板沿着荷载作用方向发生了弯曲。试验结果与理论计算结果对比如表1所示。表中数据可以看出理论计算与试验结果误差在5%以内(在允许范围之内)，说明了模型的正确性。

表1　理论值与试验值对比

2.3计算分析

在进行两层房屋建模时，按照单层房屋的建模方法进行。首先对骨架结构进行建模，结构中个单元的材料特性采用单层房屋模型中的特性，截面特征同样不发生改变；建立楼面桁架时将其与立柱连接的单元进行释放形成铰接，桁架内部各构件之间为固接。整体结构模型在骨架结构的基础上建立，壳单元节点与梁单元节点的耦合方法与单层房屋建模时相同。两层及3层房屋的模型及加载情况如图5所示。

经过计算得到两层及3层房屋的水平位移云图如图6、图7所示。从整体结构的位移云图可以看出，在0.7kN/m2的风荷载作用下，屋面檩条和立柱均发生了明显的弯曲。整体结构中迎风面和背风面墙面板出现了较明显的弯曲，而山墙处的墙面板的位移相对较小。

两层房屋最大水平位移为35.0mm是柱高的1/165，如按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定的柱顶的容许最大侧移为H/60=96.6mm(H=8 700mm)，满足该规范对侧移的要求。3层房屋最大位移为62.6mm是柱高的1/139，如按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定的柱顶的容许最大侧移为H/60=145.0mm(H=8 700mm)，满足该规范对侧移的要求。

3　结论

(1)轻钢结构临建房屋的有限元模型计算结果与试验结果最大误差仅为5%，满足精度要求；所提出的有限元模型建立方法和单元的选择合理。

(2)通过有限元分析，两层及3层轻钢结构临建房屋的柱顶侧移，能够满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中的规定要求。

[1]杨璐.考虑初始缺陷的轻型铝合金活动房屋的极限承载力研究[D].西安：长安大学，2008.

[2]ANSYS，Inc：ANYS Help，SAS IP.INC， 2000.

[3]张铮，蔡雪峰，马永超，周继忠. 轻钢结构临建房屋静力性能试验研究[J].西安：建筑科技大学学报, 2015, 47(4): 531～536,548.

马永超(1987-)，男，硕士，助理实验师。

蔡雪峰(1956-)，女，教授，硕士生导师，主要从事大跨结构施工技术与信息化方面的工作。

张铮(1978.9-),男，副教授，主要从事钢结构方面的工作。

赵剑(1988.5-),男，助理实验师，主要从事钢与混凝土组合结构方面的工作。

Finite Element Analysis on Light Steel Temporary Buildings

MAYongchao1,2CAIXuefeng1ZHANGZheng1ZHAOJian1

(1.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering (School of Civil Engineering), Fujian University of Technology, Fuzhou 350118；2.College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350117)

The finite element analysis model about light steel temporary buildings was proposed. Lateral displacement under design load of the frame structure was solved out by these finite element models.By this method a monolayer frame structure and a duplex frame structure and a trilaminar frame structure model was set up. Lateral displacement expression under load of the structure was solved out. Calculation results show that the finite element model establishment method is correct and reasonable, meanwhile the lateral displacement of light steel structure buildings under design load can meet the requirement of the specification.

Light steel temporary building; Horizontal displacement; Finite Element Analysis (FEA)

国家自然科学基金项目(51478119)；福建省级科技厅重大项目(2013H6003)

马永超(1987-)，男，助理实验师。

E-mail:mayongchao@fjut.edu.cn

2015-12-18

TU391

A

1004-6135(2016)02-0053-03