裝配式知識分享：裝配式鋼結(jié)構(gòu)桁架梁承載力性能研究
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一、有限元模型
第一，幾何模型。為了對比不同跨度下、不同弦桿尺寸下鋼桁架梁的受力性能，我們分別建立3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米5種跨度下的鋼桁架梁，鋼桁架梁均采用Q235鋼材，有限元模型采用solid187實體單元。
第二，材料本構(gòu)模型。應力應變關系采用三折線模型來模擬，它可以模擬多線性隨動強化效應，考慮包辛格效應，模型分析采用Mises屈服準則及相關流動準則。
第三，網(wǎng)格劃分。本鋼桁架梁模型的主體部分桿件多、形狀不規(guī)則，采用solid187四面實體單元，它是高階3維10節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元，在二次位移模式下可以更好地模擬不規(guī)則桁架梁。選擇合理網(wǎng)格密度進行自由網(wǎng)格劃分;為防止過渡部分單元畸形，彈性墊塊同樣選用自由網(wǎng)格，劃分為四面體單元，以實現(xiàn)計算效率和精度的平衡。
第四，邊界條件。桁架梁兩端柱座底下分別添加剛性墊塊，為了模擬梁兩端柱座底下的鉸接支座，對剛性墊塊進行鉸接線約束，對墊塊底部面中軸線上所有節(jié)點的x、y、z 方向平動自由度進行約束。
第五，加載制度。對桁架梁進行非線性靜力分析，求解采用力收斂準則，應用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧長法進行非線性求解，打開自動時間步長控制及線性搜索利用建立的有限元模型，對桁架梁施加均布面荷載，整個加載分施加重力荷載、在桁架梁上弦上表面施加均布面荷載兩個荷載步。
二、有限無計算結(jié)果分析
運用大型通用有限元軟件ANSYS建立跨度3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米的精細非線性有限元模型。該模型采用靜態(tài)分析，在求解過程中，考慮模型的幾何非線性、材料非線性以及應力剛化效應，求解類型選擇“大變形靜力”，迭代方式按照默認選項，輸出計算的所有的荷載步和子步的結(jié)果。
第一，應力分布。通過有限元非線性分析,對裝配式鋼結(jié)構(gòu)桁架梁在豎向荷載下的極限承載能力、變形特性和破壞形態(tài)進行探究，從而找到桁架梁的受力薄弱區(qū)域，對應力分布和發(fā)展規(guī)律做進一步研究，從本質(zhì)上獲得鋼桁架梁的工作性能和破壞機理。
試驗結(jié)果顯示，5種跨度的桁架梁在極限荷載作用下的應力分布規(guī)律基本一致，同種跨度下不同弦桿尺寸的桁架梁在極限荷載作用下的應力分布規(guī)律也基本一致。弦桿應力大于腹桿，弦桿受壓承受彎矩，腹桿受剪力，所有桁架梁滿足規(guī)范“強剪弱彎”的設計要求。
第二，變形情況。由于鋼桁架梁位移主要體現(xiàn)在豎向撓度上，因此得到極限荷載作用下的z向位移云圖。
實驗顯示，極限豎向荷載作用下， z向位移最大值位于梁跨中弦桿處?？缍仍酱蟆⑾覘U尺寸越小，跨中位移越大，但總體的變形分布規(guī)律一致?？紤]到z向位移在整體變形中起控制作用，故提取5種跨度梁的z向位移最大點的z向位移及對應的豎向荷載值，繪制各跨度桁架梁的荷載位移曲線。
試驗顯示，各個跨度下桁架梁模型z向荷載位移曲線發(fā)展趨勢基本一致。豎向荷載較小時，荷載—位移曲線成線性分布，結(jié)構(gòu)處于彈性階段;隨著荷載逐漸加大，桁架梁跨中上弦桿先達到屈服;繼續(xù)加大豎向荷載作用，桁架梁跨中弦桿處屈曲變形急速增長，表現(xiàn)出塑性特征。
通過試驗可以看出，增加弦桿尺寸可以有效地增大桁架梁的承載力，但也不是無限的增加。幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右，使得構(gòu)件從屈服到破壞有一定的安全空間，可保證構(gòu)件安全有效。
三、結(jié)論
通過對鋼桁架梁進行靜力非線性分析，對比跨度及桿件尺寸對桁架梁受力性能的影響，研究桁架梁在荷載作用下的應力分布和變形情況，得到以下結(jié)論：
第一，通過對比分析可知，鋼桁架梁隨著跨度增大，極限承載力逐漸減小，但各個跨度下桁架梁在極限荷載作用下的應力分布及變形規(guī)律基本一致。
第二，適當增大弦桿尺寸，在保證結(jié)構(gòu)合理破壞模式前提下，能有效地提高桁架梁的極限承載力。
第三，鋼桁架梁破壞時塑性區(qū)主要在跨中弦桿處，而腹桿相對受力較小，跨中弦桿先于腹桿破壞，滿足“強剪弱彎”的設計要求。
第四，幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右，說明構(gòu)件從屈服到破壞有一定的安全儲備空間，可保證構(gòu)件安全有效。
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