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门式刚架轻型钢结构有限元分析 摘 要：本文用ANSYS分析变截面门式刚架空间非线性工作特性进行计算分析，主要包含静力分析、模态分析。 关键字：门式钢架、静力分析、模态分析 前 言 门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房 中一种广泛采用的结构形式。因为其用钢量少，结构自重轻，施工速度快，综合经济效益高，近年来得到迅速的发展。到现在为止，轻型门式刚架的结构设计和施工技术基本已经成熟。门式刚架结构设计理论相对比较简单，易于被设计人员掌握。门式刚架轻钢厂房的主承力结构为由横梁、柱组成的平面门式刚架。檩条、墙梁及支撑体系使单独的平面刚架形成空间体系，增加了厂房的整体性，提高了承受风、地震及吊车制动力等水平载荷的能力。与传统的以屋架作为平面框架横梁的钢结构厂房比较，门式刚架的构件种类和数量少，室内整洁，建筑体新颖美观。由于门式刚架一般为超静定结构，内力分布较均匀，有利于充分发挥构件材料的作用，故构件截面较小，可以有效利用建筑空间，结构的自重较轻，便于制作、运输和安装。 问题描述 实际工程中的门式刚架由于跨度都比 较大，且钢构件本身比较软，因此往往出现挠度变形偏大，结构有一定的几何非线性。现有的门式刚架计算模型主要是平面模型，很少考虑空间模型，更没有讨论变截面门式刚架。本文就变截面门式刚架空间非线性工作特性进行计算分析，主要包含静力分析、模态分析以及时程分析。轻型钢结构厂房各构件的名称及功能见表1。 表1 单层厂房钢结构各构件名称、功能及常见形式 编号 构件名称 作用 轻钢厂房中的常见形式 1 框架柱 承担重力，抵抗横向荷载引起的弯矩和剪力 变截面H钢柱 2 框架梁 支撑屋面檩条、屋面系统 变截面H钢柱 3 檩条 支撑屋面板， 承受屋面荷载 C形、Z形薄壁型钢 4 墙架梁 支撑山墙面，承担墙面及其自身重量与墙面风荷载 C形钢 5 山墙柱 支撑墙架梁，承担墙面和墙架自重产生的竖向载荷及其水平风载荷 H形钢 6 支撑 与边缘撑杆构成稳定的支撑体系 圆钢 力学及有限元模型 门式刚架按照梁、柱的连接性质，可以 分为刚性连接和铰接两种。山墙柱与主框架刚性连接或铰接，在此认为是刚性连接。 力学模型 计算假设如下： 梁柱采用变截面梁BEAM44来 模拟，且梁柱的刚接与铰接可以通过BEAM44的自由度释放实现。柱间圆钢支撑用LINK10来模拟，檩条、墙架梁采用2节点线性梁单元BEAM188来模拟。山墙柱采用可自定义截面的梁单元BEAM44来模拟。 屋面檩条与刚架梁柱的连接采 用刚接，圆钢支撑与结构连接采用铰节点。柱脚节点可根据实际确定，本分析对两种连接进行了分析。 梁柱及其他钢结构构件均假定 为理想弹性材料。 所有钢结构构件材料本构模型 均假定为线弹性材料，符合胡克定律，同时不考虑钢板的蒙皮效应。蒙皮效应是指在屋面板和墙板利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度的加强作用。梁柱如为铰接，则柱脚节点不能也是铰接，否则结构成为一个可变机构。 梁柱刚接与铰接比较 门式刚架的厂房中按照梁柱的连接性质，可以分为刚性连接和铰接两种。在此了解两 种连接的性质是十分重要的。不同连接方式下构件的最大弯矩相差较大，一般来讲，刚接的梁上最大弯矩是铰接梁上最大弯矩的一半。经验表明：梁柱采用刚接时，整个斜梁只有很少一部分弯矩比较大，不到整个钢梁长度的，整个变截面梁设计可以很合理，而采用铰接时，发现整个斜梁的中间一大段弯矩都很大，为了控制变形量，势必需要增大整段梁的截面，同时整个系统也不够稳固。另外，如果梁柱节点铰接则柱脚必须刚接，否则结构是可变的，梁柱节点铰接，柱脚刚接为排架结构。即不是弯矩大小的问题，是结构形式的问题。梁柱铰接主要用来设计混凝土柱同钢梁的连接，混凝土柱刚度大，这么做是合理的，而且梁柱的连接不宜刚接，所以用铰接。从另外一个角度来说，如采用铰接，梁为简支梁，梁柱相交处无弯矩，最大弯矩出现在整个跨度的中间，也就是屋脊处，而且很大，导致挠度非常大，设计时截面也会变的很大。采用刚接，则梁柱相交处有弯矩存在，梁上最大弯矩和最大挠度都会比铰接时小。 BEAM44单元 BEAM44 是一种具有承受拉、压、扭 转和弯曲能力的单轴梁。单元每个节点 有6个自由度：x、y、z方向的平移和x、y、 z轴向的转动。这个单元允许具有不对称的端面结构，并且允许端面节点偏离截面形心位置。BEAM44还允许使用对称截面，同时可以释放梁节点的相关自由度。BEAM44几何示意图2和图3所示。梁默认时的连接是刚接，如果要模拟梁柱铰接或檩条与梁铰接，并不是释放所有梁单元的自由度，而是释放特殊位置的转动自由度，如梁柱铰接处。 图2 BEAM44单元几何示意图一 图3 BEAM44单元几何示意图二 BEAM188单元 BEAM188 适用于分析细长的梁。 元素是基于Timoshenko 梁理论的。 具有