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钢结构住宅必将成为未来的发展趋势

  装配式钢结构住宅是指将房屋的构件、部品在工厂加工、制作完成后,运到现场进行组装的预制装配式建筑。装配式住宅具有制造周期短、抗震性能优越、建筑空间布置灵活、有效使用面积大、综合经济效益好等优点。



  有资料显示,到2030年全球城镇化率将会超过30%,届时,住房及其配套的基础设施需求都将成为全球城市建设的主要挑战之一。为满足城镇化进程快速的要求,住宅产业化是一条切实可行的道路。2014年,全国共生产粗钢8.23亿吨,我国粗钢产量已占世界钢产量的50.26%。在经济减速、增长结构变化,主要用钢行业需求放缓的情况下,钢产量居高不下,抑制了钢材价格。在钢材产量上升、价格下降,国家倡导建设新型城镇化的背景下,装配式钢结构住宅必将得到迅速发展。

一、有限元模型

 

  第一,几何模型。为了对比不同跨度下、不同弦杆尺寸下钢桁架梁的受力性能,我们分别建立3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米5种跨度下的钢桁架梁,钢桁架梁均采用Q235钢材,有限元模型采用solid187实体单元。



  第二,材料本构模型。应力应变关系采用三折线模型来模拟,它可以模拟多线性随动强化效应,考虑包辛格效应,模型分析采用Mises屈服准则及相关流动准则。

  第三,网格划分。本钢桁架梁模型的主体部分杆件多、形状不规则,采用solid187四面实体单元,它是高阶3维10节点固体结构单元,在二次位移模式下可以更好地模拟不规则桁架梁。选择合理网格密度进行自由网格划分;为防止过渡部分单元畸形,弹性垫块同样选用自由网格,划分为四面体单元,以实现计算效率和精度的平衡。



  第四,边界条件。桁架梁两端柱座底下分别添加刚性垫块,为了模拟梁两端柱座底下的铰接支座,对刚性垫块进行铰接线约束,对垫块底部面中轴线上所有节点的x、y、z 方向平动自由度进行约束。

  第五,加载制度。对桁架梁进行非线性静力分析,求解采用力收敛准则,应用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧长法进行非线性求解,打开自动时间步长控制及线性搜索利用建立的有限元模型,对桁架梁施加均布面荷载,整个加载分施加重力荷载、在桁架梁上弦上表面施加均布面荷载两个荷载步。


  二、有限无计算结果分析

  运用大型通用有限元软件ANSYS建立跨度3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米的精细非线性有限元模型。该模型采用静态分析,在求解过程中,考虑模型的几何非线性、材料非线性以及应力刚化效应,求解类型选择“大变形静力”,迭代方式按照默认选项,输出计算的所有的荷载步和子步的结果。

  第一,应力分布。通过有限元非线性分析,对装配式钢结构桁架梁在竖向荷载下的极限承载能力、变形特性和破坏形态进行探究,从而找到桁架梁的受力薄弱区域,对应力分布和发展规律做进一步研究,从本质上获得钢桁架梁的工作性能和破坏机理。



  试验结果显示,5种跨度的桁架梁在极限荷载作用下的应力分布规律基本一致,同种跨度下不同弦杆尺寸的桁架梁在极限荷载作用下的应力分布规律也基本一致。弦杆应力大于腹杆,弦杆受压承受弯矩,腹杆受剪力,所有桁架梁满足规范“强剪弱弯”的设计要求。

  第二,变形情况。由于钢桁架梁位移主要体现在竖向挠度上,因此得到极限荷载作用下的z向位移云图。

  实验显示,极限竖向荷载作用下, z向位移最大值位于梁跨中弦杆处。跨度越大、弦杆尺寸越小,跨中位移越大,但总体的变形分布规律一致。考虑到z向位移在整体变形中起控制作用,故提取5种跨度梁的z向位移最大点的z向位移及对应的竖向荷载值,绘制各跨度桁架梁的荷载位移曲线。



  试验显示,各个跨度下桁架梁模型z向荷载位移曲线发展趋势基本一致。竖向荷载较小时,荷载—位移曲线成线性分布,结构处于弹性阶段;随着荷载逐渐加大,桁架梁跨中上弦杆先达到屈服;继续加大竖向荷载作用,桁架梁跨中弦杆处屈曲变形急速增长,表现出塑性特征。

  通过试验可以看出,增加弦杆尺寸可以有效地增大桁架梁的承载力,但也不是无限的增加。几种桁架梁极限荷载为屈服荷载的1.3倍左右,使得构件从屈服到破坏有一定的安全空间,可保证构件安全有效。


  三、结论

  通过对钢桁架梁进行静力非线性分析,对比跨度及杆件尺寸对桁架梁受力性能的影响,研究桁架梁在荷载作用下的应力分布和变形情况,得到以下结论:

  第一,通过对比分析可知,钢桁架梁随着跨度增大,极限承载力逐渐减小,但各个跨度下桁架梁在极限荷载作用下的应力分布及变形规律基本一致。

  第二,适当增大弦杆尺寸,在保证结构合理破坏模式前提下,能有效地提高桁架梁的极限承载力。



  第三,钢桁架梁破坏时塑性区主要在跨中弦杆处,而腹杆相对受力较小,跨中弦杆先于腹杆破坏,满足“强剪弱弯”的设计要求。

  第四,几种桁架梁极限荷载为屈服荷载的1.3倍左右,说明构件从屈服到破坏有一定的安全储备空间,可保证构件安全有效。





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