钢管桁架结构（共7篇）
钢管桁架结构 篇1
随着世界上第一个现代化海洋平台在墨西哥海湾建成, 钢管结构的优越性开始在建筑舞台上逐步显现。而将废旧油管杆作为钢管结构进行利用, 在油田建设中不仅能够发挥修旧利废的作用, 而且能很好的体现工期、造价等方面的优越性。
1 钢管桁架结构的形式和特点
钢管桁架结构是钢管结构中的重要一种, 是桁架结构采用钢管材料构成的一种结构形状, 也称钢桁结构、管桁架、管结构等。
1.1 钢管结构的分类
根据受力特性和杆件布置不同, 可分为平面管桁结构和空间管桁结构。平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内, 结构平面外刚度较差, 一般需要通过侧向支撑保证结构的侧向稳定。在现有管桁结构的工程中, 多采用Warren桁架和Pratt桁架形式, Warren桁架一般是最经济的布置, 与Pratt桁架相比, Warren桁架只有它一半数量的腹杆与节点, 且腹杆下料长度统一, 这样可极大地节约材料与加工工时。Vierendeel桁架主要应用于建筑功能或使用功能不容许布置支撑斜杆时的情况。空间管桁结构通常为三角形截面, 与平面管桁结构相比, 它能够具有大的跨度, 且三角形桁架稳定性好, 扭转刚度大、外表美观。
1.2 钢管结构连接件的截面形式
常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等, 按连接构件的不同截面可分为以下几种桁架形式:C—C型桁架:即弦杆和腹杆均为圆管相贯的桁架结构;R—R型桁架:即弦杆和腹杆均为方钢管或矩形管相贯的桁架结构;R—C型桁架:即矩形截面弦杆与圆形截面腹杆直接相贯焊接的桁架结构。利用油田废旧油管杆所实现的桁架结构属于圆钢管桁架。
1.3 钢管结构的优越性
(1) 构造方面。传统的钢结构经常采用板型节点, 而钢管桁架结构将支主管直接焊接成相贯节点 (或成为管节点) , 在相贯节点处, 只有在同一轴线上的两个主管贯通, 其余支管通过端部相贯线加工后, 直接焊接在贯通主管的外表, 节点形式简单, 节省材料。桁架整体属于格构式构件, 可建成平板形、圆拱形、弓形等, 具有造型独特、简洁流畅的特点。
(2) 施工方面。由于在节点处各杆件直接焊接, 所以施工简单、速度快, 容易实现工期目标。并且由于钢管结构和槽钢、工字钢等材料相比和大气接触面积少, 没有难以清刷防锈漆的死角和凹槽, 在除锈和维护方面比较方面。
(3) 受力方面。与传统的开口截面钢桁架相比, 钢管的管壁一般比较薄, 能充分发挥材料的强度, 钢管桁架结构截面材料绕中轴相对均匀分布, 回转半径大, 截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度, 结构稳定性好, 从而减少了构建的用钢量, 特别是在由长细比控制的压杆及支撑系统中采用更为经济。
2 钢管桁架结构在油田地面建设中的应用
根据实际情况, 长庆油田常用废旧油管杆进行除锈、防腐后制成空间桁架, 其结构多为三角形截面, 一组三角形桁架类似于一榀空间刚架结构, 更为经济, 可以减少侧向支撑构件, 提高了侧向稳定性和扭转刚度。当跨度大而风荷载可能对弦杆产生较大弯矩时, 将拱做成桁架式来承受较大弯矩是效果最佳的。对于小跨度结构, 可以不布置侧向支撑。
2.1 在管线跨越、栈桥工程中的应用
油田输送油品和天然气的钢制管道不可避免的需要跨越一些河流和山谷, 目前跨越形式多种多样, 在简化结构、扩大跨度、改善抗风性能、使用高强度材料和新的施工技术等方面也不断地有新的发展。其中一类是管道不作为跨越中的受力构件, 只是敷设于桥面, 称之为桁架管桥, 是一种空腹梁结构, 管道是结构上弦, 再用两榀桁架组成三角形或矩形空腹梁, 这样结构刚度大, 稳定性好, 适用于跨越中、小型河流。为了充分利用材料, 管桥结构中腹杆的管径可以比上下弦杆小, 油田跨越工程中腹杆常利用修复油管进行制作, 实现了良好的经济效益。
2.2 在工业厂房、仓库中的应用
油田废旧油管杆以及角钢等比较多, 为了盘活资源, 更好的实现节能创效工程, 可以利用结构理念进行有效设计, 创造出更好的服务于油田的工程, 助推生产经营工作的良性运行。在油田建设中, 跨度较小时, 屋面部分将桁架结构的外形设计成与弯矩图相似的形状, 从而使桁架的弦杆受力均匀。当跨度较大时, 利用桁架式拉杆拱来承担风荷载对弦杆产生的较大弯矩是较为经济的。
在长庆油田诸多采油作业区料棚建设中, 就是利用废旧油管杆修复后进行施工, 顶部结构由两根上弦杆和一根下弦杆组成的三角形截面, 所有杆件均采用油杆组成的空间桁架结构。这种三角形空间桁架结构属于单向受力结构, 桁架的上弦增大了宽度后, 使原平面桁架起控制作用的上弦杆件提高了稳定性, 改善了结构的工作性能。在排柱部分将几根油管焊接在一起, 受力形式类似于钢结构中的格构柱, 并设置柱间支撑进行加固, 提高结构的整体性刚度。
2.3 在大跨度空间结构的应用
用结构概念分析, 由于梁截面存在应变梯度, 只有当构件是轴心受力时, 材料利用率才可能增大, 于是就出现了平面桁架, 平面桁架可以理解成“掏空”的梁, 将梁中多余材料去除, 既经济, 又降低自重;故桁架的上弦相应于梁的受压边, 下弦相应于受拉钢筋。如果把这些平面外的支撑再连接成桁架, 这样就使平面桁架变为平面交叉桁架, 最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率高, 应力水平高, 故在大跨度、大空间结构中广泛使用。
在长庆采油三厂盘古梁采油作业区前线指挥部房屋建设中, 其天井布置就采用了双层桁架梁与拱形桁架组合成交错结构体系, 跨度为13米, 长度27米。达到了传力明确、结构轻盈、实用美观的目的 (如图3所示) 。
2.4 在零星工程中的便捷运用
由于油田废旧油管杆使用便捷, 在凉亭、广告牌、井站大门、简易工棚、货架、蔬菜大棚、拦油坝等零星工程中多有运用, 很大程度上助推了油田的效益性开发。在此只个别列举, 实际生产中油田建设者可运用其聪明的才智和娴熟的焊接技术建造出更加美观、实用的建筑物和构筑物。
3 钢管桁架结构研究现状及存在的问题
桁架结构设计主要是外形尺寸、构件尺寸及节点形式的设计。外形设计主要是桁架的总体布置、跨度、高度、节间距离、桁架间距及腹杆的布置, 应尽量减少连接数量;构件尺寸的选择与节点形式相关联, 应通过节点承载力计算以及构件强度及稳定性验算来确定。国内外对于管桁架结构的研究, 主要集中在管节点的分析。因为节点的破坏往往导致与之相连若干杆件的的失效, 从而使整个结构破坏。对管节点静力性能的研究方法, 主要有三类:试验、解析理论和数值分析 (有限元方法) 。近年来, 随着计算机运算速度的不断加快以及编程语言的发展, 多运用有限元方法进行管节点的极限承载力计算。
钢管桁架结构在计算分析时所采用的模型主要与节点的刚度有关, 目前规范规定在满足要求下按铰接进行设计, 但实际支主管相贯节点是介于刚接与铰接之间的半刚性节点, 这样就存在假设与实际的差别。对于节点研究方面, 静力计算已经提出了相应的计算方式, 节点刚度如何考虑是目前急需解决的问题。对于承受动力荷载的钢管桁架结构, 节点的疲劳性能又显得很重要, 目前也缺乏相关的研究。
4 结语
本文就钢管桁架结构的特点进行了探讨, 特别对油田地面建设中钢管桁架结构的应用效果进行了分析, 充分展现了在油田环境中的广泛应用前景。对于利用废旧油管杆制成的钢管桁架结构来说, 目前大多是通过结构概念设计和定性分析来实现, 节点刚度的研究及桁架整体变形的计算还不完善, 需进一步进行研究。
摘要：近年来, 钢管结构不仅应用于海洋平台、桥梁、起重机械工程, 而且通过圆钢管结构、方钢管结构的实践应用, 在工业厂房、简易仓库、大跨房屋等结构中取得了非常理想的效果。本文从节能、创效、实用角度出发, 利用结构设计原理, 重点分析了钢管桁架结构的特点以及在油田地面建设中的应用。
关键词：钢管桁架,废旧油管,应用
参考文献
[1]J.沃登尼尔.钢管截面的结构应用[M].张其林, 刘大康, 译.上海:同济大学出版社, 2004
[2]中华人民共和国建设部.钢结构设计规范 (GB50017—2003) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2003
[3]结构概念和体系 (第二版) 出版社:中国建筑工业出版社, 1999
钢管桁架结构 篇2
钢管相贯桁架结构是钢结构行业近年来发展起来的一种新型结构形式,该结构由于用料经济,易于构成各种外形,结构形式新颖而优美,因而在许多大跨度的公共建筑中得到了广泛应用,如游泳馆、体育场馆和会展中心等。
相贯节点是目前钢管结构工程中使用较好的节点形式。在相贯的节点处,只需要对同一轴线上的两个最粗的相邻杆件作贯通,其余杆件则通过端部相贯线加工后,直接焊接在贯通杆件的外表面,而非贯通杆件在节点部位可能互相分离,或者部分重叠。相贯线切割技术曾一度被视为难度较大的制造工艺,随着数控技术的快速发展,计算机辅助加工使得该工艺变得相对简单,因此,相贯节点技术也体现出其独特的优越性。
本文在某国际大酒店游泳馆屋面工程背景下,对倒立三角形钢管相贯桁架结构的施工方法进行探讨,对施工过程中的下料方法、拼装工艺以及安装工艺等做出详细的分析,以便为今后类似的工程实践提供有价值的参考。
1 工程概况
某国际大酒店游泳馆屋面工程,平面尺寸为36 m×90 m,屋面形式为波浪曲线形,采用钢管相贯桁架结构,其中主桁架结构为倒立三角形,桁架高度2.6 m,上弦平面轴线尺寸为2.5 m,跨度36 m,次桁架为弧形钢管桁架结构,高度为2.6 m,跨度为9 m。主桁架上设天沟,主次檩条,屋面采用钛锌金属板。
2 下料方法
为保证拼装过程的顺利进行,在保证焊接接口拼装工艺要求的前提下,针对不同的构件选择合理的下料方法不仅可以提高工作效率,也可以节省成本。本工程针对钢管相贯桁架结构的拼装要求分别选用相贯线切割机和管道切割机对不同的构件进行下料。
对于桁架腹杆,为了得到其相贯线接口,采用相贯线切割机进行下料。
其具体操作步骤为:
1)在预先考虑主桁架起拱量的前提下,采用AutoCAD软件建立桁架结构的三维线框模型,要求建模必须100%准确;
2)将线框模型转换为DXF格式标准图形转换文件,并将其输入到WIN3D设计软件中进行计算,生成切割数据单;
3)PIPE-COAST接受切割数据单后,生成单个管件的加工指令,然后再根据材料规格进行合理的套料,最后将加工程序发到车间,分批实施切割。
注意:为了以防万一,如果每批切割的数量较大时,可先切割一根,进行外形尺寸检查,确认无误后再进行大批量的切割。图1给出了相贯线切割下料的现场施工图。
与相贯线切割下料方法相比,采用管道切割机下料不仅操作方便,而且可以节省大量的运输成本和加工成本。因此,对于接口为直口的上下弦主管,没必要采用相贯线切割机下料,本工程对此采用了如图2所示的管道切割机下料方法。
3 拼装工艺
3.1 拼装平台及拼装门架制作
由于桁架结构体积较大,主桁架长达36 m,为了保证桁架的整体性拼装,故采用现场制作拼装方法。经过技术人员多次对图纸和施工现场进行分析考察,排除各种可能的施工障碍后,确立了安全、方便且高效的施工工艺。为了便于拼装,专门在施工现场构建了拼装平台以及拼装架。
拼装平台采用五根12 m长的热轧H型钢(型号H400×200×8×13) 按8 m的间距排列,两边各外伸2 m,便于端部球节点的拼装,最后利用H型钢对称排列便于主桁架拼装起拱。同时,根据主桁架的外形尺寸每榀设置4个拼装门架,每个门架由3根H型钢制作成宽3 m、高4.5 m的门形结构,且在其两端各挂一个3 t以上的手拉葫芦,便于主桁架的制作和拼装。拼装平台及拼装门架的现场如图3所示。
3.2 拼装施工步骤
为了保证倒立三角形钢管相贯立体桁架结构拼装施工过程安全有序地进行,工程技术人员针对主桁架结构的拼装制定了严格的施工步骤:
1)首先拼装主桁架的上弦平面;将2根ϕ12×180的无缝钢管,以2.5 m的间距平放到拼装平台上,两管中间用腹杆连接而成;
2)上弦平面拼装完成后,利用门架上的两个手拉葫芦同时向上提拉,将其升至门架标志线;
3)将上弦平面固定在门架标志线处,在拼装平台5根H型钢的正上方找出上弦平面的横向中点,利用线锤将中点投射到拼装平台的每根H型钢上,做出标记并拉线,以此作为主桁架下弦管的中心线;
4)下弦管采用一根ϕ14×219的无缝钢管,就位拼接完成后,按编号从中间向两端依次安装主桁架腹杆,直至安装完成,这样可以减小拼装过程中的累积误差。
对于次桁架的上下弦,均采用ϕ4.0×89的钢管,由于其结构为弧形,且弧线半径较大、种类较多,现场不具备为放样搭设平台的条件,因而采用计算机放样,将弧线分为五等分点,放出弦高,再利用火焰进行现场煨弧,成型后安装腹杆,进行整体弧线定型,以满足次桁架的图纸弧线要求。
3.3 拼装技术要求
在拼装施工的实施过程中,为了提高工程质量,特别提出了以下技术要求:
1)由于主桁架较长,上下弦主管需要将几根钢管纵向焊接在一起才能满足长度要求,这就需要对钢管的接口位置进行准确定位,以防其与腹杆节点位置重合;施工过程中要求:主管的接口位置与节点必须错开600 mm以上;主桁架主管拼接时,钢管存在原有的和焊接后的变形,在焊接完成后必须对其进行矫正。
2)在使用手拉葫芦起吊主桁架上弦面时,会由于主桁架上弦平面刚度较小而发生弯曲变形(弹性变形),因此,在组装腹杆时,必须在2根上弦主管外侧按标志线位置沿长度方向拉两条定位线,利用手拉葫芦操作灵活的优势,对变形进行矫正。
3)在拼装腹杆时,可以利用主桁架结构的对称性准确定位,并能消除主管的局部变形,因而只需确定腹杆的编号和节点方向便能顺利拼装,且能保证主桁架的整体质量要求。
4)为了保证主桁架的整体尺寸,在拼装开始不需要预先确定上下弦主管的长度尺寸,而是在全部拼装焊接完成后再做出最后的决定。
5)主桁架拼装完成后,在下弦主管两端安装球节点(采用D=500×20钢球),安装定位时要考虑主管与球节点的相贯量,保证球和主管同心,最后采用坡口焊接。
3.4 焊接
本工程焊接量较大,为了保证工程质量,对焊接方法、焊接顺序、焊工技术等进行多次前期演练,尤其对上下弦主管的焊接,更是作为焊工训练的重中之重严格要求,技术人员通过现场测试对主管焊接的焊工进行了严格的审查。
经过焊接演练,工艺评定,最后确定了主管的焊接方法:首先对钢管焊口部位利用管道切割机开45°坡口,然后用氩弧焊打底,最后采用手工电弧焊或CO2气体保护焊(采用药芯焊丝)分四步进行焊接,在每一步焊接完成后,都要对焊口部位进行焊接缺陷处理,最后一步进行盖面处理。焊接要求焊口成型好,平滑过渡,焊缝条高不超过3 mm,达到钢结构二级焊缝质量要求。
腹杆的焊接均为角焊缝,现场尽量要求采用地面焊接,减少仰焊缝,以保证焊接质量。
所有对接焊缝都要进行100%的超声波探伤检测,以保证整个工程的焊接质量。最后经探伤检测,所有焊缝均一次性合格。
4 桁架安装工艺
由于现场狭窄,主桁架跨度较大,受建筑物外挑檐口的限制,桁架安装不能一次就位,必须采用两台汽车吊进行空中转接方可就位,经过技术人员多次现场实地勘测,最后确定采用一台180 t汽车吊和一台120 t汽车吊进行吊装。
主桁架的吊装就位主要是控制其垂直度,吊装入位后,现场采用线锤和经纬仪进行垂直度测量控制,并且采用手拉葫芦、缆风绳和临时撑杆对主桁架进行就位控制,从而保证其平面位置尺寸、垂直度、轴线尺寸以及侧向刚度要求。
第一榀主桁架的安装尤为重要,其后依次安装第二榀、第三榀等,在每一榀主桁架安装完成的同时,依次将次桁架连接于各主桁架之间,使其成为整体,以满足主桁架侧向刚度要求。
由于受场地的限制,拼装平台上每次只能拼装3榀主桁架,不能进行连续吊装,整个吊装过程只能分四次进行。
5 结语
本文就某国际大酒店工程中采用的倒立三角形钢管相贯桁架结构施工方法展开讨论,详细分析了下料方法、桁架拼装以及桁架安装的全过程。在整个施工过程中获得了丰富的施工经验,结果表明:钢管相贯桁架结构的施工,必须从设计图纸完成后,就开始全面分析和调研,从下料、制作、拼装直至最后的安装,每一工序必须严格控制,使问题简单化、工序条理化,最后才能准确无误、保质保量地完成工程施工。
参考文献
[1]JGJ7-2010,空间网格结构技术规程[S].
[2]GB50205-2001,钢结构工程质量施工验收规范[S].
[3]JGJ81-2002,建筑钢结构焊接规程[S].
钢管桁架结构 篇3
关键词：空间钢管桁架,ANSYS,杆件内力
采用焊接相贯节点的钢管桁架现已广泛应用于空间大跨度结构中,但计算理论和设计方法还沿用传统的桁架理论,空间钢管桁架几何尺寸的改变对其杆件内力变化研究得较少,针对这一问题,选用空间倒三角桁架结构作为研究对象,利用ANSYS有限元软件对空间钢管桁架进行静力分析,得出截面形状参数及杆件截面面积对空间管桁架杆件内力的影响。
1 计算模型
1.1 传统桁架理论
传统桁架理论在计算时,认为桁架的结点都是光滑的铰接点,各杆的轴线都是直线,并通过铰的中心,荷载和支座反力都作用在节点上。在上述理想情况下,桁架各杆均为两端铰接的直杆,计算简图各杆均用轴线表示,且都是只承受轴力的二力杆,因此对于桁架的计算方法有结点法和截面法两种。
1.2 计算方法介绍
1.2.1 假定
与实际结构相比,在模型分析中,采用如下假定:假定结构所用的钢材为弹性材料;由于实际桁架不符合传统桁架理论所描述的理想铰接情况,所以结构弦杆和腹杆的节点,连接均视为刚性连接;桁架内力分析采用一阶弹性分析法。
1.2.2 ANSYS有限元计算软件的实现
计算模型采用空间到三角形钢管桁架,利用ANSYS软件进行建模,由于研究中把所有接点均视为刚接,模型截面为圆管截面,因此在软件中采用BEAM188单元进行模型计算,综合考虑后对模型网格划分为:在截面圆周方向均划分为36个单元,而在圆管长度方向,单元长度上取节点间长度的1/10。
1.2.3 模型简图及约束情况
计算模型采用倒三角形截面进行受力分析,其计算模型简图见图1。
模型边界条件全部采用铰接支座,一端下弦施加X, Y, Z三个方向的位移约束,另一端只施加X, Z两个方向的位移约束,释放其轴向位移,这样,整个计算模型就相当于一个简支梁;上弦杆两端施加X方向的侧向约束。
1.2.4 荷载的施加
根据工程实际情况,桁架上施加由活荷载和恒载组成的面荷载,再由檩条传导到桁架上弦节点处。活荷载为0.5kN/m2,恒荷载为0.5kN/m2,荷载组合为1.2×恒荷载+1.4×活荷载。
2 空间钢管桁架的静力分析
对于空间三角形钢管桁架而言,当确定了截面高度H,上弦宽度W,以及节间长度S后可确定一种截面形状,下面分别讨论这几个参数及杆件截面面积对杆件内力的影响。
所计算模型的基本截面形状参数为:跨度L=60 m,截面高度H=4 m(可变),上弦宽度W=3 m(可变),节间长度S=4 m(可变)。
进行对截面形状参数对管桁架性能影响的研究时,方法是单一改变一个参数,其它参数不改变。即分析上弦宽度W变化时,取值为0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m。分析截面高度H变化时,取值为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m。分析节间长度S变化时,取值为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m。对于杆件截面面积的改变,将采用五组不同的杆件来实现。
2.1 上弦宽度W对结构性能的影响
参照实腹式的I字型截面梁,由σ=My/I,增大翼缘宽度会增大Iy,相应的σ会减少,梁的刚度也会因此而相应增加,即上弦宽度对结构的侧向抗弯刚度影响很大。根据此原理,在截面高度H取为4 m,节间长度取为4 m,将上弦宽度W取为0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m,进行有限元计算和分析,计算结果如表1。
由表1可以看出,随着上弦宽度的变化,弦杆的内力基本上保持不变,但是腹杆和跨中挠度都有显著的变化,上弦宽度的增加,造成竖面腹杆的倾角相应增加,竖面腹杆的轴力在持续增加,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。同时,竖面腹杆轴力的增加也造成了杆件剪切变形的增加,反映到结构即是结构跨中挠度的增加。
2.2 截面高度H对结构性能的影响
在一段实腹梁中,由σ=My/I,梁截面高度越大,Ix越大,相应的σ会越小,所以如果降低截面的高度,会引起截面应力相应增加,而且增幅比较大,那么参照实腹梁,将截面高度H取为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,此时上弦宽度W取为3 m,节间长度取为4 m,进行有限元计算和分析,计算结果如下:
由表2可以看出,在截面弯矩不变的情况下,上下弦杆的内力也仅仅是当截面高度有变化的时候,才会发生较大幅度的变化,跟其它的截面参数没有关系。由于同一构件的不同截面处弯矩也并不相同,故设计成变高度的截面,可充分利用材料,经济性好,且外表美观。
同时,随着截面高度的增加,由于倾角的减少,腹杆的轴力表现持续的减少,而由于弯曲变形和剪切变形的减少,跨中的挠度也逐渐变小,其减少趋势是先快后慢。
由以上可以看出,截面高度是影响构件选择尤其是弦杆选择的一个非常重要的因素,其结构刚度的影响也是非常显著的,远大于其它因素,必须在满足建筑要求的情况下,从经济美观和受力均衡的角度综合考虑,选择出合适的截面高度。
2.3 节间长度S对结构性能的影响
节间长度的大小会直接导致腹杆夹角的改变,改变节间长度S,分别取值2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,此时截面高度H取为4 m,上弦宽度W取为3 m,由于施加的是均布荷载,所以S改变时,荷载导到每个节点上的数值也相应改变,进行有限元分析,计算结果如下:
由表3可以看出,改变节间长度以后,弦杆的内力略有变化,随着节间长度的增加而减少,其主要原因在于,弦杆的最大内力与截面高度的乘积代表了一个节间长度范围受的弯矩的平均值。同时腹杆的轴力有了相应的变化,类似于上弦宽度的增加,随着节间长度的增加,竖面腹杆的倾角相应增加,所以竖面腹杆的轴力在持续加大,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。
跨中挠度也随着节间长度的增加呈减少的趋势,最后趋于稳定,从中可以看出如果腹杆布置过密对结构的刚度没有起到积极的作用,反而加大了跨中挠度,但节间长度也并非是越大越好,合适的节间长度受制于檩条的经济跨度,且为了保证腹杆与弦杆与弦杆的连接的可靠,一般的倾角控制在35°-55°之间。
2.4 杆件截面面积对结构性能的影响
根据结构力学的知识,静定结构中的杆件内力与截面的尺寸无关,在空间桁架中截面面积对杆件的弯曲应力基本无影响,但是对结构的变形起着一定的作用,以改变腹杆尺寸为例,依次将计算模型的截面尺寸改为:① 上弦219×8,腹杆140×6,下弦273×10;② 上弦219×8,腹杆152×7,下弦273×10;③ 上弦219×8,腹杆168×8,下弦273×10;④ 上弦219×8,腹杆180×9,下弦273×10;⑤ 上弦219×8,腹杆194×10,下弦273×10。(单位为mm) ,算结果如表4。
由表4通过比较可以发现,跨中的挠度随着截面尺寸的加大而略有减少,体现了单个杆件的剪切变形的减少,因为竖面斜面腹杆主要承担抵抗剪力的作用,随着截面的变大,杆件的剪切变形变小,反映到结构上就是挠度减少,随着腹杆的截面面积的增加,竖面腹杆上的力也有增加。
3 结论
通过对空间钢管桁架进行的有限元静力分析,考察各几何参数的变化对杆件内力的影响得出以下结论。
上弦宽度W加大时,对于桁架平面内力提高不是很大,但是由于W增大,平面外的Iy也跟随增大,随之带来的是平面外的刚度增加,但同时竖面腹杆的倾角在相应的增加,竖面腹杆的轴力在持续的增加,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加,因此并不是W越大越好。
截面高度H增加时,Ix增大,上下弦杆的内力均减小,同时倾角减少,腹杆的轴力表现持续的减少,而由于弯曲变形和剪切变形的减少,跨中的挠度也逐渐变小。
节间长度S加大时,弦杆内力随着节间长度的增加而减少,腹杆的轴力的轴力也在加大。
腹杆尺寸增加时,单个杆件的剪切变形的减少,反映到结构上就是挠度的减少。
直线形空间倒三角形管桁架在受到竖向均匀荷载作用的时候,表现出腹杆抗剪,弦杆抗弯的受力机理,弦杆轴力的主要影响因素是截面的高度,而竖面斜腹杆轴力的主要影响因素是竖面腹杆与竖直线的倾角,水平腹杆在竖向荷载作用下受力较小,但是如果受到明显的扭矩的作用的话,必须考虑适当的加大水平腹杆的截面尺寸。
参考文献
[1]陈绍蕃.钢结构设计原理.北京:科学出版社,2001
[2]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范(GB 50017—2003).北京:中国计划出版社,2003
[3]朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析.北京:机械工业出版社,2008
[4]郑红.钢管桁架屋盖结构的静力性能分析.国外建材科技,2007;28(5):89—91
钢管桁架结构 篇4
大跨度钢管蟉架, 在钢结构加工工厂里只能先制作散件, 到施工现场安装时需要大量的支撑胎架、大量的高空作业, 会占用过多的施工场地, 增加相应的管理成本, 并且质量、工期和施工安全都没有保障。
我国北方某火车站在改造施工中, 需要对站房房顶大跨度蟉架结构进行高空拼装。本工程结合以往蟉架拼装经验, 采用格构柱式蟉架结构, 减少了一部分钢材用量和材料成本, 解决了以往散件拼装成本高、工期进度及施工安全没有保障的问题, 取得了不错的经济效益。
1 工程概况
我国北方某火车站改造工程, 包括天桥、站房、雨篷以及地下通道这四个部分。 站房为框架剪力墙结构, 抗震防裂为8 度, 横向宽度约为63m, 纵向长度约为242m, 以上进下出模式进行设计。 在该站房二楼, 为层高13m的候车厅, 主要构件为圆钢管。具体参数如图1 所示, 总体拼装流程如图2 所示。
2 屋面桁架安装难点
在该车站钢结构屋面中, 其4~9 轴同12~19轴以对称方式进行布置, 所使用的构件类型也完全相同, 即由两块完全相同屋面同连拱共同对该车站的候车大厅屋面进行组成, 整个钢结构屋面重量为935t。 在该桁架安装中, 存在着一定难点:
第一, 由于桁架对现场加工条件和运输设备的要求很高, 因此只能在专业加工厂中加工并拼装完毕后, 才能运输到现场进行焊接;
第二, 如果以整体方式进行吊装, 则需要具有较大吨位的起重设备, 这就需要对较大的吊装场地进行提供。 而如果以整体提升方式进行施工, 则需要在具有专业提升设备以及提升塔架的同时具有合适的拼装场地。而无论是整体提升还是整体吊装, 都需要混凝土在达到一定强度之后才能进行;
第三, 当钢构件同钢管桁架形成整体受力体系之后, 单榀钢管桁架所具有的剖面为四边形状态, 在同屋面杆件没有形成整体体系前, 桁架可能会出现受力变形的情况, 阻碍和制约桁架吊装工作的顺利进行;
第四, 在钢管桁架中, 其相贯节点包括有空间以及平面类型, 且具有较为复杂的相贯节点以及相贯线构造, 在现场进行定位往往存在着较大的难度;第五, 钢管桁架在相贯节点方面也具有着较为复杂的特点, 且在焊缝质量以及焊接方面也存在一定的难度。
3 高空分段拼装技术
在对多种方案进行比选之后, 该工程使用了高空分段方式对钢管桁架进行拼装, 即先对支撑平台进行搭设, 以此对操作以及承重功能进行实现, 通过起重机械的应用将钢管桁架构件以分段的方式吊运到支撑平台之后, 再在高空将这部分构建在拼装、焊接之后形成具有稳定特征的体系。 而当安装完构件以及桁架之后, 再对该支撑平台进行拆除。 在施工中, 我们使用QTZ63 塔式起重机作为拼装工作所使用的起重机械。 在对构件位置进行确定时, 在严格按照施工规范的同时根据现场实际对焊接以及吊装进行实现。
4 支撑平台建设
在本工程中, 使用准φ48mm*3.5mm钢管对脚手架进行搭设, 在上方对45mm的脚手板进行铺设, 共同对高空拼装支撑平台进行组成。 同时, 其使用单榀钢管桁架中心线为基准进行对齐, 所搭设的平台长62m, 宽12m。
4.1 脚手架设计
该桁架重量为120t, 平台面积为745m2, 在支撑中其受到来自桁架的自重荷载为1.48k N/m2。 考虑到构件实际在堆放中可能存在的不均匀系数, 脚手架在设计时我们以1.7k N/m2进行计算, 活荷载方面对一台电焊机以及2 名工作人员取2.5 k N/m2, 风荷载即基本风压0.65 k N/m2。 在脚手架布置方面, 按照临时支撑结构设计图 ( 详见图3) 及作业流程 ( 如图4 所示) , 其横向排距以及间距为1m, 步距1m, 高12m。 在上述各项参数设定之后, 使用PKPM软件对荷载情况进行了校核, 经校核所使用的钢管扣件能够满足施工安全性要求。
4.2 脚手架搭设
在对脚手架进行搭设时, 首先进行测量放线工作, 并进行垫板的安装。 之后, 在对底座安放完毕后对管进行树立, 并对扫地杆进行设置。 当对水平杆搭设完毕后, 对剪刀撑以及脚手板进行搭设, 并对栏杆以及脚板进行搭建。 在布设设计方面, 从该站点2 层混凝土楼板区域进行搭设, 并在脚手架外围底部对安全网进行挂满, 使用缆风绳在满堂架内侧绑扎。 在作业层外围, 我们对防护栏杆进行了设置, 一共有两道, 分别为1.2 以及0.6m。在栏杆根部位置, 对挡脚板进行了设置, 其高度在17cm以内。而在作业层下方, 则对水平网进行了架设, 往上每隔五步设隔层平网, 施工层设随层平网。
5 钢管桁架拼装
5.1 总体部署
在整体布置方面, 桁架不同构件根据其实际吊装次序的不同将其分为5 段, 并通过塔式起重机的应用将其吊装到支撑平台之中, 按照图5 所示, 在对下弦杆件进行吊装之后再对下弦杆件进行拼装与焊接。 之后, 对中弦杆件进行吊装、拼装以及焊接, 之后再对中弦杆件同下弦杆件间的腹杆进行拼装、焊接。 只有将钢管桁架焊接成一个整体后, 才能焊接支座连接位置, 如此可保证两者之间的受力体系良好。当拼装、焊接两榀位置钢管桁架后, 再拼装与焊接其他杆件。
5.2 胎架测量
要想确保最终的拼装质量符合要求, 对钢管桁架进行胎架的定位以及测量是必要的。 在正式开始拼装工作之前, 应先对桁架胎架进行一个全面的测量及校正, 然后在杆件搁置位置建立控制网格, 基于此进行钢管桁架胎架的定位以及测量工作。
5.3 弦杆拼装
在高空对所有分段进行拼装时, 需要先对桁架的弦杆进行吊装, 并根据分段定位线以及胎架底线进行定位, 在钢管内部对衬管进行设置之后在桁架主管端部位置对4块耳板进行焊接, 使其作为我们后续对接过程中的连接耳板。当钢管段就位之后, 则可以将对接器把紧, 在固定好主管之后将耳板做好割除以及磨平工作。
5.4 腹杆拼装
按照图5 所示, 在对弦杆安装完成之后, 则可以对腹杆进行拼装。 在对腹杆进行安装时, 需要按照从中间向两边的方式进行, 以此更好地对装配积累误差进行控制, 并做好胎架中心线的制定, 避免出现随意对相贯线接口进行切割的情况。
5.5 焊缝质量控制
对于钢管桁架来说, 由于其构件以不同的强度以及角度进行焊接, 在焊接质量以及焊接技术方面则具有着较高的要求, 在此种情况下, 相贯线端部位置的坡口加工则成为了一项非常重要的工作。 在该施工内容中, 我们使用了HID-900MTS以及HID-600EH相贯线切割机, 并严格按照AWS标准中要求对坡口程序中的参数进行设定, 保证所切割的坡口能够对焊接需求进行良好满足。 支管壁方面, 当主管同支管间夹角在45°以上、或者当壁厚在6mm以上时开坡口, 而如果两者间夹角在25°以内、或者壁厚在6mm以下时, 则不可以开坡口。
相贯节点焊缝方面, 我们以无间隙方式进行施工, 且在两个侧面、端部以及趾部都具有坡口, 焊缝相当于熔透的组合焊缝, 在局部区域1~2mm以及内壁内凹区域, 不能够全焊透, 且木材同焊缝接头很难实现强度连接。对此, 我们以补强角焊缝的方式进行施工。 根据相关加工经验, 当管壁在9mm左右时, 在将角焊缝尺寸增加4mm左右时, 则能够对未焊透问题进行较好的解决, 且能够对等强度连接条件进行满足。 对此, 我们从焊缝量测熔透焊缝过渡到角焊缝, 并将焊脚尺寸增加到钢管1.5 倍壁厚, 在焊接完成24h之后对其进行超声波探伤检测。
5.6 钢构件涂装
在内容安装中, 要按照从两边向中间的方式进行现场涂装施工, 并通过电动工具的应用做好构件表面铁锈、灰尘、油污、毛刺以及焊渣的清除, 在对钢结构基层处理完毕之后, 需要对底漆进行及时的涂刷, 保证每一层底漆涂刷的时间应当在5h以内, 如果由于其他原因使涂刷时间超出了最长间隔, 则需要先使用细砂纸对前漆进行打毛, 在对上方所存在的杂质、尘土进行清除后再进行涂装。 而在每次进行通涂之前, 也需要对边角、焊缝以及不易喷涂的部件进行预涂。 检测方面, 要使用干膜测厚仪以及湿膜测厚仪, 在喷涂油漆之后使用设备进入到湿膜到底材后进行读数, 并在工作完成后使用干膜测厚仪进行检测。
6 支撑平台拆除
工程的扣件式脚手架, 对桁架的高空拼装提供了支撑平台, 通过将该平台的拆除, 则能够将桁架从之前的施工状态转变为设计状态, 且在此过程中桁架内部不同构件也会产生内力的重新分布。 在此情况下, 就需要在该项工作开展之前对合理的拆除顺序进行制定, 在对钢管桁架支座稳定性进行保证的同时保证设计状态同实际构架受力情况能够得到良好的吻合。
6.1 拆除原则
对支撑平台的拆除, 就代表着桁架的卸载, 也是一种荷载转移的过程。 在该转移过程中, 由于结构最终受力同施工受力具有着不一致的特征, 对此, 在拆除时则需要做好控制, 避免出现局部杆件应力集中以及结构局部受损的情况。 通过一定的施工验算, 我们可以了解到, 在对支撑平台进行卸载的过程中, 支撑架由中间向两侧卸载相比由两侧向中间卸载, 屋盖桁架结构的变形量要小, 对此, 我们以从中间向两侧的方式对卸载方案进行确定。 在支架关键支撑点部位, 则通过全站仪的应用在现场进行观测, 通过对支点轴力变化的检测保证桁架以及临时支架的安全。
6.2 拆除措施
根据现场情况以及桁架受力特点, 我们将该支撑平台划分为4 个区, 以分区、分段的方式进行拆除。 在以1-2-3-4 顺序进行拆除的同时, 按照从上到下、东西对称、南北对称的方式进行拆除。 在安装过程中, 也需要对支撑平台做好沉降检测, 保证其垂直度以及支撑架沉降情况都能够满足要求, 以此对拼装焊接质量作出保证。 在对支撑平台进行拆除之前, 要在桁架弦杆位置对监测点进行设置, 每榀桁架对称布设10 个。 在第一区支撑点拆除完毕后, 在3h后进行观测, 在对观测数据记录后再继续对下一区进行拆除。
7 施工效益分析
本文所述火车站大跨度钢桁架高空拼装作业取得了良好的施工效果, 现场拼装过程中仅仅利用塔吊进行安装作业, 不到十天就完成了桁架安装, 且安装合格率为百分之百。 该安装方法不仅缩短了大跨度钢桁架的安装时间, 还大大降低了安装成本, 受到了业主和监理的一致青睐。
①人员方面:该火车站站房蟉架高空拼装的技术和工艺虽然不同于普通蟉架安装工程, 但人员安排与普通蟉架工程一样 ( 详见表1) , 不需配备其它技术人员, 所以相比之下人力成本并未增加。
②材料方面:与满堂支架拼装技术相比, 该火车站站房高空拼装采用的是格构柱临时支撑体系, 所用钢材比满堂支架结构少很多, 节省了大约2 万元的材料成本。
③高空拼装采用整体吊装方案, 即在地面完成预拼装后直接整体吊装到位, 与普通蟉架工程相比, 高空拼装不仅节约施工场地, 而且蟉架安装进度比较快, 工期还不足10 天, 合格率100%, 不需返工, 仅拼装作业环节就直接节省了3 万元的管理费用。
8 结论
本文所述火车站站房大跨度钢管桁架高空拼装技术, 不仅操作简便、工艺简单, 且受到施工影响非常小, 能够在保证工作质量的同时起到了节约工期的效果, 取得了不错的经济效益。 在现实条件下, 可以根据不同安装工程的作业要求, 合理调整高空拼装技术的技术要素和参数设置, 使其能够广泛应用于更多工程领域。
摘要：高空拼装大跨度钢构椼架是目前技术难度较大的钢构施工项目。本文结合普通椼架拼装经验, 针对火车站站房椼架施工要求, 特别采用了格构柱式椼架结构, 减少了一部分钢材用量和材料成本, 解决了以往散件拼装成本高、工期进度及施工安全没有保障的问题, 取得了不错的经济效益。
关键词：火车站站房,大跨度钢管桁架,高空拼装技术
参考文献
[1]颜承志.大跨度钢管桁架的施工工艺[J].山西建筑, 2007 (28) :161-162.
[2]王杰, 王俊平, 王治辉.空间钢管桁架几何尺寸对其内力变化的影响[J].科学技术与工程, 2010 (03) :812-814.
[3]田雨华, 郑江华, 苏立亮, 张有为.大跨度钢管桁架施工技术[J].钢结构, 2012 (01) :64-68.
[4]田凯.芜湖海螺湾钢管桁架设计和分析[J].工程与建设, 2013 (02) :196-197.
[5]康震.大跨度拱形钢管桁架制作安装实例介绍[J].城市建筑, 2013 (04) :66-68.
钢管桁架结构 篇5
钢管混凝土是将混凝土填入钢管中而形成的一种组合结构材料,其结构能充分发挥混凝土抗压和钢材抗拉的能力。近年来,钢管混凝土空间桁架桥作为一种新型桥梁结构形式用于实践工程中,由于结构设计通常采用试算法,致使设计中存在过于安全的现象,造成材料浪费,提高工程造价。因此,对其进行优化是非常必要的。
1 钢管混凝土桁架组合梁式桥优化设计
1.1 数学模型
1.1.1 目标函数
主要从经济实用角度考虑,以钢管混凝土结构的造价最低为目标来构造目标函数,因此提出了如下目标函数表达式:
min
其中,P(x)为工程造价,元;cb为钢管的单位造价(仅考虑材料费),元/kg;cc为混凝土的单位造价(仅考虑材料费),元/m3;As,i为杆件中钢管的截面面积;Ac,i为杆件中混凝土的截面面积;ρb为钢管的密度,kg/m3;li为钢管混凝土杆件长度,m。
1.1.2 设计变量
在混凝土标号、钢材种类和结构中杆件布局已经确定的情况下,影响结构造价的主要因素是杆件中各材料的截面面积,因此,设计变量如下:
1)杆件中钢管的截面面积:As,i。
2)杆件中混凝土的截面面积:Ac,i。
1.1.3 约束条件
约束条件均取于钢管混凝土设计规范以及实际设计工程的要求。
1)应力约束。
杆件为拉弯杆件:
杆件为压弯杆件:
其中,Ni,Mi分别为第i个杆件的轴力和弯矩;As,i为杆件中钢管的截面面积;Asc,i为杆件截面面积;Wsc,i为杆件截面抵抗矩;fsc为杆件组合强度设计值;f为钢材抗拉强度设计值。
2)稳定约束。
其中,NE为欧拉临界力,NE=π2EscAsc,i/λ
3)挠度约束。
其中,δi为杆件顶点的设计挠度;δ为容许挠度。
1.2 两级优化—满应力算法
1.2.1 两级优化法
在众多的约束条件中,根据其性质,一般可以分为两类:只与杆件截面有关的,称为局部性约束,如强度约束为局部性约束;与结构各杆件都有关的,称为全局性约束,如位移约束为全局性约束。由于局部约束与整体约束都是单调递减函数,并且两者之间不存在耦合效应。因此,在一轮优化中,整体约束优化以局部约束优化的最优尺寸下限求解,整体约束优化的最优解一定满足局部约束条件。所以,两级优化的基本思想是:把数字模型分解为两级问题进行优化,两级优化分别独立的进行,第一步,先针对局部性约束,进行局部性的满应力优化,然后再检查位移约束,如不满足位移约束,再进行第二步全局性的满位移优化,直到满足位移约束条件为止。
1.2.2 满应力法
满应力算法的基本思想是:设法使结构杆件中的最不利应力接近或达到材料的许用应力,从而使杆件的材料能够得到充分的利用;对于多工况的结构,需使结构中的每一个杆件在每种工况下达到材料的许用应力。
1.2.3 优化程序编制
1)首先运用杆系结构内力计算程序计算出各工况下的内力值,提取出内力值(轴力、弯矩)数据;然后按照序列两级算法思路对约束进行分类优化;最后判断数值结果是否满足造价收敛条件。
2)用满应力法对杆件截面进行优化的过程中,在某工况下,如杆件为压杆,先对杆件的混凝土截面面积用满应力法优化,得出优化的截面面积后,再根据钢管混凝土杆件规定的最小含钢率计算钢管的截面面积;如杆件为拉杆,先对杆件的钢管截面面积进行满应力优化,得出优化的钢管截面面积后,根据钢管混凝土杆件规定的最大含钢率计算混凝土截面面积。通过这样的方式处理,可以保证在规定的含钢率条件下,单根钢管混凝土杆件的截面造价最低。
3)本程序中对满应力优化的结果都重新进行了结构内力的计算,以保证优化的结果偏差尽量减小。
4)当对位移约束条件进行优化时,是在假设钢管混凝土杆件的含钢率不变的前提下进行杆件截面的优化,这样既降低了优化的复杂性,还可以利用先前计算的内力值数据,通过单位荷载法求解位移,使得位移约束由隐性约束变成显性约束,尽可能的减少结构内力计算次数。
2 实例及计算结果分析
本文以某一钢管混凝土全焊空间桁架等截面连续刚构桥作为研究对象,结构平面见图1(1/2),全桥采用(43.0+72.0+43.0)m跨径,整根主梁是一个正四角锥空间网架,横桥方向及顺桥方向节点间距均为3.8 m,主梁腹杆和下弦杆均为钢管混凝土杆件,腹杆是纵横两方向都倾斜的杆件,呈空间布置,纵向每排腹杆在横向包括4根腹杆,纵向每排下弦杆在横向包括2根下弦杆,上弦为槽钢与钢筋混凝土板组成的钢—混凝土组合板,主墩采用钢筋混凝土双肢薄壁柔性墩,其设计荷载为汽—20,挂—100,人群荷载3.5 kN/m2,混凝土采用C50,钢管采用16 Mn,混凝土价格拟用300元/m3,钢管价格拟用4 500元/t。
1)桁架桥在未进行优化设计时材料费为618 151.97元,优化后的设计结果为530 315.97元,费用降低了14.21%,说明优化后提高了桁架桥的经济效益。
2)优化后,用钢量降低了14.70%,混凝土用量降低了6.48%,说明通过材料费用的优化,进一步协调了桁架桥中混凝土与钢材的使用量。
3结语
两级优化—满应力法在处理离散变量优化问题时是一种行之有效的方法,通过截面两级优化处理与满应力法的结合,提高了优化效率,其优化结果能满足工程的实际需要,可产生明显的经济效益。
参考文献
[1]孙焕纯,柴山,王跃方.离散变量结构优化设计[M].大连:大连理工大学出版社,1995:64-171.
[2]张联燕,李泽生,程懋方.钢管混凝土空间桁架组合梁式结构[M].北京:人民交通出版社,1999:98-123.
[3]胡云昌,王国庆.基于两级优化—进化算法的结构优化设计研究[J].天津大学学报,2002,35(1):63-67.
[4]郭鹏飞,韩英仕,魏英姿.离散变量结构优化的拟满应力设计方法[J].工程力学,2003,17(1):94-98.
钢管桁架结构 篇6
为了全面考察穿心螺栓端板式节点域的应力分布及应力传递情况, 在SJ-1和SJ-2的节点域、节点板处布置了应变花, 其测点编号如图1所示。
图2 (a) ~ (d) 给出了SJ-1在弹性阶段各测点的荷载-主应变曲线。 (a) 图表示了节点板上各测点主应变随荷载变化情况。负向荷载下节点板上第一主应变增长比正向荷载下快。在负向荷载下, 测点4、测点1的主应变较大, 越靠近节点板边, 主应变越小, 测点3最小。在正向荷载下, 测点1、2、3的第一主应变比测点4、5的大, 即上弦杆连接处的主应变比端板连接处的大。 (b) 、 (c) 图分别表示了上弦杆、下弦杆腹板处主应变随荷载变化情况。上弦杆腹板处在正负荷载作用下, 测点6、7一直是主拉应变, 在负向荷载下的主应变明显大与正向荷载下的, 测点6的主应变较测点7的大, 即第一排螺栓处的主拉应变最大。测点8、9在正负荷载作用下, 拉应变明显高于压应变, 测点8主应变较测点9较高, 即下弦腹板内侧主应力大于外侧。 (d) 图表示上弦节点域各测点主应变随荷载变化情况, 在正负荷载下, 各测点主应变一直处于拉状态, 测点11处的主应变最大, 主应变基本对称。
图3 (a) ~ (d) 给出了SJ-2在弹性阶段各测点的荷载-主应变曲线。各测点荷载与主应变的曲线变化趋势与SJ-1相似, 但在相同荷载下, SJ-2的节点板主应变比SJ-1的要大, 这主要是由于端板厚度的影响, 薄端板的变形较大, 相反SJ-2节点域的主应变较SJ-1小。
参考文献
[1]李启才, 何若全, 顾强, 申林.交错桁架体系中桁架与柱的连接节点设计方法研究[J].建筑钢结构进展, 2008.
[2]Cheng C T, Hwang P S, Lu L Y, Chung L L.Connection behavior of steel beam to concrete-filled circular steel tubes[C].Procceding of6th ASCCS Conference, Los Angles, USA, 2000, 81-589.
[3]赵宝成, 朱浩, 何若全, 顾强, 钢管混凝土柱与桁架穿芯螺栓端板式连接节点试验研究[J].西安建筑科技大学学报, 2010.
[4]聂建国, 秦凯, 肖岩.方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析[J].工程力学, 2006, 23 (11) :99-109.
重力对桁架结构的影响仿真 篇7
桁架结构在房屋建筑、桥梁及船舶、射电望远镜等现代工程中得到广泛应用, 其特点是结构简单、质量轻及拆卸方便等。桁架结构按外形通常分为平行弦桁架、梯形桁架及三角形桁架等, 其组成通常有圆钢、角钢和T型钢等, 连接方式有焊接、螺栓连接等。影响桁架结构工作性能的因素很多, 比如材料强度、结构分布、风荷、连接方式及重力等因素, 其中重力对桁架结构的影响最明显。尤其当桁架结构用于外伸支撑时, 桁架自重造成桁架变形, 在桁架还未承受外力时, 其强度与形状便与设计预计存在偏差。而重力造成的桁架结构变形很难通过提前计算得到, 所以有必要利用有限元软件在工程实施前对桁架结构进行重力变形仿真。本文以一个小型的外伸支撑桁架结构为例, 考虑其自重, 利用有限元仿真软件ANSYS, 仿真桁架结构在不受外载荷时, 重力造成的变形。
1 桁架结构建模
ANSYS软件是常用的有限元仿真集成软件, 其在进行静力学分析时建模方便, 划分网格准确, 仿真计算结果精确。软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块及后处理模块, 进行的分析类型主要有静力学分析、动力学分析、动力学分析及热分析等。本文进行的仿真分析属于结构静力学分析, 通过对桁架结构进行静力学分析得到因自重造成的桁架变形、应力等。
本文的桁架结构是由角钢组成, 型号为50-50mm, 长度有1200mm、825mm等多种规格, 连接方式包括焊接和螺栓连接, 但在建模时为了减少计算量, 忽略焊接点的集中应力影响, 也忽略螺纹、螺栓孔等的影响。根据实际模型建立仿真模型, 单元类型选择beam, 材料选择45号钢, 密度为7890kg/m3, 屈服强度为209000Gpa, 泊松比为0.3, 划分网格时采用自动网格划分方法划分网格, 由于beam单元划分网格时比较简单, 可直接在ANSYS软件中meshtool工具栏中设置网格单元大小或单元个数, 并且施加全约束。重力通过设置重力加速度来实现, 重力加速度在defineloads工具栏中设置。
2 仿真计算
设置好各种参数后, 利用ansys中分析计算模块, 进行分析计算, 并在后处理模块中查看仿真结果。查看结果得到最大应力为293Mpa, 分布在外远端;最小应力为46Mpa, 分布在约束端的约束处;说明靠近约束处的桁架刚度高, 受到重力影响小, 远端桁架刚度小, 受重力影响大。并且可以查看桁架原型与受重力影响后的对比, 得出因为自重, 桁架实际的位置和形状与理论的位置和形状相差很大, 而且越远离近端差距越大。如果在实际工程中, 没有提前预计到这个变形, 会造成偏差。再次说明通过分析软件提前对桁架结构进行重力变形仿真很有必要。
3 结论
在工程中, 桁架结构可以以较少的材料提供足够的抗拉、抗剪能力, 但是其自重对其形状的影响不可忽略。根据本文仿真结果发现在距离约束端较近的地方其自重造成变形小, 在远离约束端的桁架自重会造成较大变形, 所以有必要在远离约束端增加支撑, 并在增加支撑和增加重量之间寻求平衡。还能根据仿真分析得到抗剪危险点, 并在此处采取增加支撑或改变截面形状等措施增强桁架结构的抗剪能力。
参考文献
[1]舒兴平.钢框架结构弹塑性有限变形理论分析与试验研究[D].长沙:湖南大学土木工程学院, 1992.
[2]周绪红, 周期石.水平荷载作用下交错桁架结构的内力和侧移计算[J].建筑结构学报.2004, 25 (04) :66-71.
[3]关英俊, 徐宏, 李志来等.大型离轴空间相机桁架支撑结构的设计[J].光电工程, 2014, 12 (41) :7-13.