某民用建筑钢屋架的安全性分析

卜 凡 何夕平 朱智修

(安徽建筑大学土木工程学院 安徽合肥 230601)

屋架作为屋面结构的主要支撑部件一般多用三角形，由上弦、下弦及垂直腹杆和斜腹杆组成，根据材料不同有木屋架、钢屋架及钢筋混凝土屋架等[1]，目前常见于传统民用建筑中。而在传统的民用建筑的建设中，大多只是根据经验进行，缺乏一定的理论基础,故近年来，民间自建房建设过程当中事故频发。屋架结构作为房屋屋面的支撑结构，若其在建设或使用过程中出现破坏，则所引发的事故和经济损失往往较大。目前一些传统民居经过第一次自然灾害或年久失修的原因进行了翻修。翻修过后往往用钢屋架代替木屋架，与传统木屋架相比，钢屋架质量更加小，节点一般为焊接等优势，但因其持续暴露在空气当中，对其安全性与使用性有很大的影响[2]。在此背景下，文章将以安徽省合肥市某一农村自建房中的钢屋架与木屋架为例进行研究，根据其受力情况进行分析，为民用建筑采用钢屋架提供借鉴与参考。

1工程概况

该工程为一传统民建房到双坡面钢结构屋架，由图1可看出，屋架与上部结构接触部位仅仅是几个节点。故在此屋架范围内，上部荷载都是通过垂直腹杆与上旋杆节点处直接传递至整个屋架，屋架再将力传递至墙上。屋架两端砌筑于墙体当中。如图1所示，为安徽省合肥市某一农村自建房钢屋架，而传统民居多为木质屋架。屋架形式为三角形，屋架跨度为6m，高为1.5m。外表已开始锈蚀，下弦每隔1m均焊制一竖向垂直腹杆并以斜腹杆相连。所有杆件截面截面均为60mm×60mm，厚度3.0mm的矩形钢管构件。每个垂直腹杆与上弦交点处所受均为集中荷载。每点经计算所受荷载为3.5KN。

图1 某一民用建筑钢屋架

2相关理论

该屋架构件间连接形式均设置为刚接，支座设置为铰接[3-5]。各构件均为钢构件，垂直腹杆与上旋杆节点处主要所受外力为集中荷载，保证结构和各构件的稳定性，是钢结构设计过程中的重要内容。故在实际使用中屋架应满足必要的稳定性。经长期的工程实践经验，对轴心受力构件刚度的限制，需对构件长细比作出要求：

(1)

式(1)中：λ为构件的长细比；l0为构件计算长度；I为构件截面惯性矩。

轴心受压构件稳定性计算公式：

(2)

式中：φ为构件的稳定性系数。

两端嵌固的轴压杆，临界应力为：

(3)

在实际工程当中，构件不仅仅受轴心压力的作用，也受到弯曲和扭转的作用。这时杆件受力情况较为复杂，为了精确求解其受力状态，通常借助相关软件进行分析求解。

3模型建立

为了更加直观地体现屋架承受荷载作用后的变形及位移情况，文章利用有限元软件MIDAS进行屋架的受力模拟分析。为了更加精确地模拟本工程的实际受力状态，此次模拟过程中，只考虑杆件自重与节点荷载对整个屋架的稳定性影响，屋面建筑做法与形式忽略不计，只考虑其传递荷载方式与大小。

文章所研究的屋架基本参数为：各截面尺寸均为50mm×60mm，厚度2.0mm的矩形钢管构件。整体屋架为轴对称结构。下弦杆总长6000mm，中部垂直腹杆长1500mm，可直接看出最两端垂直腹杆为零杆，力的作用点位于上旋杆与垂直腹杆交点处。节点均设置为刚节点。该模型中钢材使用Q235级，所用的材料均为各向同性材料，材料属性如表1所示。

表1 材料属性

根据有关数据进行建模，先定义好相关材料属性和设置截面相关信息，再进行进行基本结构的建立，通过“建立单元”选项设置上旋杆与斜腹杆。模型建立时，程序默认两节点间为一个单元，为了计算的准确与便捷，通过“分割单元”选项将默认单元再次进行网格划分生成有限元模型。

依据上述构件尺寸，建立相应的关键点，对关键点赋予相应的属性，单元选取3D实体单元，更好的反应实际受力状态，进行网格划分。即可生成钢屋架的有限元模型。屋架模型建立完成之后，先对模型进行边界条件设置，通过一般支承选项，对屋架两端进行铰支座设置并将各节点设置为刚性节点。为了计算简便，将屋架承受屋面的荷载进行换算，经过计算得出相应节点处所承受的荷载为3.5KN。在软件中选定静力荷载类型，依次进行建立荷载工况信息，添加节点荷载等步骤。完成情况如图2所示，模型建立完成。

图2 屋架受力图

4模拟分析

模拟的情况为仅考虑正常使用状态下的屋架受力情况，即屋架在正常工作时的受力状态。直接运行软件，通过静力分析的方法，运算结果如图3和图4所示。

图3 屋架弯矩图

图4 屋架轴力图

根据图3弯矩图可看出，屋架支撑位置承受荷载最大，因屋架结构为一整体的刚性体，外部荷载最终通过支撑位置传递至墙体，固支座位置处受力较大。此模型大致模拟支座处屋架的受力情况。因墙体与屋架接触面积较大，实际屋架两端处弯矩应小于模拟结果。由图4可以看出，此屋架在上旋处受力较大，而由于斜腹杆与垂直腹杆的作用上旋杆轴力分为三段，越接近支座处上旋杆轴力越大。下弦杆与侧垂直腹杆基本不受力，轴力最大处为19.3KN。

根据图5可以分析屋架在正常使用状态下的应力变化，在支座节点处出现应力集中现象，数值大小为43.70N/mm2，远小于规范允许限值。根据图6变形图可看出屋架整体向下变形，支座处因约束作用保持不变。变形最大值为0.94mm，远小于规范限值要求。故正常使用情况下，次屋架不会出现受力破坏，且安全储备较大。

图5 屋架应力图

图6 屋架变形图

5结论

该分析建立的是理想杆件状态下的有限元模型，进行承载能力计算分析。通过上述有限元建模分析，得到以下结论：

(1)整体屋架钢材截面尺寸相同，但所承载的力并不相同。因为各节点为刚接，故应力主要集中于上旋杆处，这也说明了上旋杆在整个结构中起到主要的承载作用，在实际上设计当中需要确保上旋杆的受力性能稳定。就该工程来说，整体屋架受力性能良好，安全储备较大。

(2)腹杆与下悬杆所承受弯矩与轴力作用较小，其所受应力也较小。设计时可酌情减小其尺寸，避免浪费。

(3)因屋架两端为刚节点且位于支撑点处，因此屋架两端应力较大，此位置为钢屋架受力中最不利点。故在实际工程建设中，应注意加强支撑点处的强度。

(4)因为钢屋架长期暴露与空气当中，容易发生锈蚀。而此工程屋架已发生锈蚀现象，锈蚀后，钢材性能将发生较大变化，在使用过程中将有较大的安全隐患，故应注采取必要的防锈措施。