變溫應(yīng)力對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)廠房影響的數(shù)值分析

薛寶東 齊永勝

華北地區(qū)某門式剛架鋼結(jié)構(gòu)車間在冬季施工,當(dāng)時(shí)日平均氣溫為-10℃,而當(dāng)?shù)叵募練鉁爻？蛇_(dá)35℃左右。由于門式剛架是超靜定結(jié)構(gòu),溫度的季節(jié)性變化將不可避免地造成變溫應(yīng)力,此應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)有無(wú)明顯的影響,是否需在設(shè)計(jì)階段采取措施進(jìn)行處理,便成為一個(gè)需要解決的問題。本文采用數(shù)值分析方法對(duì)該車間門式剛架在季節(jié)溫差作用下的力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了分析,解決了這一問題,保證了結(jié)構(gòu)的安全施工和正常使用,所用分析軟件為ANSYS11.0。

1 門式剛架有關(guān)數(shù)據(jù)

本文中的門式剛架如圖1所示,跨度為18 m,檐口高度為6 m,屋面坡度為1∶15,車間柱距為6 m。門式剛架梁、柱采用等截面形式,梁、柱截面為焊接H型鋼,規(guī)格均為 250×250×9×14。柱腳為固端約束,梁與柱為剛接。鋼架采用Q235b鋼材,彈性模量為2.06×105MPa,其密度為7 850 kg/m3,溫度線膨脹系數(shù)為12×10-6。屋面活荷載取為0.5 kN/m2,恒荷載為0.4 kN/m2,基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2,溫差取為35+10=45℃。

2 有限元模型和變溫作用

剛架梁和柱都采用Beam3單元(如圖2所示),單元的實(shí)常量用ANSYS軟件的section功能計(jì)算得到,手工填入命令流文件,每個(gè)構(gòu)件劃分為20個(gè)單元。施加荷載時(shí),在各單元的 T1,T2,T3和T4位置處施加45℃的溫度荷載,以模擬門式剛架所受的變溫作用。為保證求解精度,計(jì)算時(shí)打開大變形開關(guān),并取100個(gè)子步數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 溫度荷載的計(jì)算結(jié)果

3.1 變形和位移

在45℃變溫作用下,由于柱腳剛接于不能移動(dòng)的基礎(chǔ),柱腳之間的距離保持不變,鋼梁則暴露于環(huán)境中與環(huán)境保持相同溫度,在溫度升高的情況下,發(fā)生伸長(zhǎng)現(xiàn)象,向外側(cè)推動(dòng)剛架柱,使之發(fā)生側(cè)向彎曲變形。放大100倍的結(jié)構(gòu)變形如圖3所示,剛架變形呈軸對(duì)稱形式,結(jié)構(gòu)的最大位移的具體數(shù)據(jù)見表1。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,相對(duì)于剛架本身的幾何尺寸而言,變溫作用所產(chǎn)生的位移是非常小的,由此產(chǎn)生的二階效應(yīng)可以忽略不計(jì),故可按線彈性分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 變溫作用下剛架的最大水平和豎向位移 mm

3.2 應(yīng)力

在變溫作用下,與上述結(jié)構(gòu)變形相對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力如圖4所示:剛架的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在柱根部位,柱根截面內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓,最大拉、壓應(yīng)力分別是+10.808 MPa和-10.808 MPa;斜梁上最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在屋脊處的單元,截面上外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓,最大拉、壓應(yīng)力分別是+3.312 MPa和-3.720 MPa。這表明本工程中的門式剛架在變溫作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力最大,相當(dāng)于Q235鋼材屈服強(qiáng)度的4.60%,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)予以適當(dāng)?shù)目紤],最簡(jiǎn)便的方法便是考慮變溫應(yīng)力的大小留出適當(dāng)?shù)某休d力儲(chǔ)備,應(yīng)當(dāng)避免把材料用得過(guò)于充分的做法,這是出于兩方面的考慮:1)避免由于變溫應(yīng)力同其他荷載的共同作用,使得結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力部位局部進(jìn)入塑性工作狀態(tài),導(dǎo)致彈性分析的結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)際的工作狀態(tài)(彈塑性狀態(tài))存在較大差別;2)避免使結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備過(guò)小,在某些不利因素作用下發(fā)生危險(xiǎn),造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。本工程中,在設(shè)計(jì)中留有較充分的儲(chǔ)備,可使結(jié)構(gòu)在正常工作的同時(shí)承受變溫應(yīng)力的作用,保證了結(jié)構(gòu)的安全性,并且沒有顯著增加設(shè)計(jì)的工作量。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文結(jié)構(gòu)中的門式剛架在45℃變溫作用下,位移和變形很微小,可以忽略二階效應(yīng),按線彈性方法進(jìn)行分析,以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。2)本文結(jié)構(gòu)中溫度荷載產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大約相當(dāng)于鋼材屈服強(qiáng)度的4.60%,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該予以適當(dāng)?shù)目紤],最簡(jiǎn)便的方法便是考慮變溫應(yīng)力的大小適當(dāng)留出承載力儲(chǔ)備,至少要保證鋼材屈服應(yīng)力與結(jié)構(gòu)最高應(yīng)力值(未考慮變溫作用影響的分析結(jié)果,取絕對(duì)值)的差值大于溫度應(yīng)力(絕對(duì)值),在這個(gè)前提下,可采用線彈性分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì),并且可以不另外考慮變溫作用的影響。3)變溫作用對(duì)門式剛架的影響與剛架的跨度、高度、跨數(shù)、截面形式和尺寸等諸多因素有關(guān)。在某些算例中,變溫應(yīng)力可能達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度的10%以上,不容忽視。所以,若結(jié)構(gòu)可能承受較大的變溫作用,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其影響做具體分析,以確定其對(duì)于工程的影響,并采取相應(yīng)措施,不可盲目套用其他工程的做法,以免因?qū)囟刃?yīng)估計(jì)不足而給工程留下隱患。

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