钢桁架悬臂结构设计与仿真分析

关志荣

摘 要：结合某工业厂房需要增加悬臂结构以满足工艺要求，考虑了三种悬臂结构设计方案，即厂房钢框架悬挂方案、预应力钢框架方案和钢桁架方案^[1]。使用有限元软件ANSYS对结构方案进行了分析^[2]，得到了各结构在荷载作用下的承载力和挠度，并通过对比采用了钢桁架方案，钢桁架结构的承载力和挠度不仅满足要求，而且施工方便，为解决工程中类似的悬臂结构问题提供了参考。

关键词：预应力钢框架;悬臂钢桁架;ANSYS;挠度控制

一、背景介绍

某工业厂房需要增加悬臂结构以满足工艺要求，为了充分利用既有建筑物，需要在较高的位置设置跨越地面的悬臂结构走廊与另一侧连接。悬臂结构长度为15m，由于斜撑构件呈节间布置，在设计过程中考虑了悬臂结构与既有结构相协调的问题，利用有限元软件ANSYS对结构方案进行分析对比。

二、有限元分析过程

有限元分析是在对分析对象进行网格划分的基础上，对未知量的实际情况进行有限元数值模拟，进行有限元分析时，必须对所分析问题有一个完整的把握，同时梳理出相对完善的结构分析程序。具体分析过程为设定工程实际条件，选择单元类型、单元实常数、材料类型，建立有限元模型，模型自由度约束与荷载施加，求解得到结果。

三、悬臂结构设计

（一）方案1悬挂在钢框架上：由于悬臂式结构布置在较高的位置，且与工厂钢架梁距离较近，所以将悬臂式结构挂在钢梁上是大家首先想到的解决方法。但由于原厂房钢框架设计未考虑悬臂结构重量和活载，因此，钢框架能否满足承载力要求是采用该方案的关键。使用PKPM软件对增加了荷载的钢架进行分析，得出钢框架的内力已超过其有效的承载能力，因厂房内环境复杂，对钢框架加固影响正常的生产秩序，难以实现。综上所述，方案1是不可取的。

（二）方案2預应力钢框架：悬臂结构的重量只能由支撑体系本身承担，为此新建钢框架，作为悬臂结构的支撑。考虑到悬臂结构较长，倾覆力矩较大，采用钢结构框架作为2跨3层的支撑体系，钢框架结构布置如图1所示。

在预应力钢框架结构方案中，由于Q235钢受动荷载的影响，选用的钢材种类较多，对钢材的性能要求较高。在框架上部布置体外预应力筋，采用3根直径30mm的高强钢筋，在一定距离将悬臂H型钢拉住。在结构不承受外荷载之前，先张拉高强预应力筋，以预应力抵抗接受使用时所受的荷载。

本预应力钢框架是不规则框架，同时又有体外预应力筋的布置，采用ANSYS对预应力框架进行模拟，不仅计算速度快，而且精度高。Beam188单元为二维梁单元用来模拟框架梁柱。有限元模型如图1所示。柱底各自由度均设置约束，竖向荷载在高度8m处施加。根据要求，悬臂结构活载标准值为0.4KN/m²。使用ANSYS对程序进行静力分析，分别采用基本荷载组合和标准荷载组合计算结构内力和变形，如图2所示。控制截面位于悬臂梁根部，预应力高强钢筋在此位置两面应力最大。在正常使用极限状态下，悬臂梁的变形量为32.6mm，小于规范标准值，满足要求。预应力高强钢束张拉难度较大，且需在地面以上施工，高空作业安全隐患大。

（三）方案3钢桁架：在钢桁架结构方案中，选用Q235钢材，采用Beam188单元模拟梁柱。由于斜撑是二力杆，使用Link8单元对其进行模拟。在柱底对各自由度进行约束，在8米高度处施加竖向荷载，有限元模型如图3所示。根据要求，悬臂结构活载标准值为0.4kn/m²。程序采用有限元软件ANSYS进行静力分析，分别采用基本荷载组合和标准荷载组合计算结构内力和变形，如图4所示。控制截面也在悬臂梁的根部。在正常使用极限状态下，悬臂梁的变形量为12.8mm，小于标准值，满足要求。

（四）两种方案的比较

预应力钢框架与钢桁架的比较见表1。

考虑到厂房内悬臂结构的特殊要求，以及建造过程的难易程度，以及在使用过程中若变形过大，将影响悬臂结构与其它结构的连接，最终选择悬臂钢桁架方案设计。

四、结束语

结合某工业厂房需要增加悬臂结构以满足工艺要求，考虑了三种结构设计方案，即厂房钢框架悬挂方案、预应力钢框架方案和钢桁架方案。使用ANSYS对方案进行分析，得到结构在荷载作用下的承载力和挠度，通过对比采用钢桁架方案，为解决工程中类似的悬臂结构问题提供了参考。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计规范：50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2018

[2] 洪庆章， 刘清吉. ANSYS教学范例[M]. 中国铁道出版社， 2002.

[3] 李围， 叶裕明. ANSYS土木工程应用实例[M]. 中国水利水电出版社， 2007.