裝配式建筑知識(shí)分享：裝配式鋼結(jié)構(gòu)桁架梁承載力性能研究

有數(shù)據(jù)顯示，到2030年，全球城市化率將超過(guò)30%，住房及配套基礎(chǔ)設(shè)施需求將成為全球城市建設(shè)的主要挑戰(zhàn)之一。為了適應(yīng)快速城市化的要求，住宅產(chǎn)業(yè)化是一條可行的道路。2016年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量8.23億噸，占世界鋼鐵產(chǎn)量的50.26%。在經(jīng)濟(jì)增速放緩、增長(zhǎng)結(jié)構(gòu)變化和鋼鐵主業(yè)需求放緩的情況下，鋼鐵產(chǎn)量居高不下，鋼價(jià)受到抑制。在我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量節(jié)節(jié)攀升、價(jià)格下跌以及國(guó)家大力推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的背景下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅將得到快速發(fā)展。

一、有限元模型

第一，幾何模型。為了對(duì)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(shí)體單元。

第二，材料本構(gòu)模型。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用三折線模型來(lái)模擬，它可以模擬多線性隨動(dòng)強(qiáng)化效應(yīng)，考慮包辛格效應(yīng)，模型分析采用Mises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)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(shí)體單元，它是高階3維10節(jié)點(diǎn)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(jìn)行自由網(wǎng)格劃分;為防止過(guò)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(shí)現(xiàn)計(jì)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(duì)剛性墊塊進(jìn)行鉸接線約束，對(duì)墊塊底部面中軸線上所有節(jié)點(diǎn)的x、y、z 方向平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。

第五，加載制度。對(duì)桁架梁進(jìn)行非線性靜力分析，求解采用力收斂準(zhǔn)則，應(yīng)用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧長(zhǎng)法進(jìn)行非線性求解，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制及線性搜索利用建立的有限元模型，對(duì)桁架梁施加均布面荷載，整個(gè)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(gè)荷載步。

二、有限無(wú)計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)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(xì)非線性有限元模型。該模型采用靜態(tài)分析，在求解過(guò)程中，考慮模型的幾何非線性、材料非線性以及應(yīng)力剛化效應(yīng)，求解類(lèi)型選擇“大變形靜力”，迭代方式按照默認(rèn)選項(xiàng)，輸出計(jì)算的所有的荷載步和子步的結(jié)果。

第一，應(yīng)力分布。通過(guò)有限元非線性分析,對(duì)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(jìn)行探究，從而找到桁架梁的受力薄弱區(qū)域，對(duì)應(yīng)力分布和發(fā)展規(guī)律做進(jìn)一步研究，從本質(zhì)上獲得鋼桁架梁的工作性能和破壞機(jī)理。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，5種跨度的桁架梁在極限荷載作用下的應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律也基本一致。弦桿應(yīng)力大于腹桿，弦桿受壓承受彎矩，腹桿受剪力，所有桁架梁滿(mǎn)足規(guī)范“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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。跨度越大、弦桿尺寸越小，跨中位移越大，但總體的變形分布規(guī)律一致。考慮到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(diǎn)的z向位移及對(duì)應(yīng)的豎向荷載值，繪制各跨度桁架梁的荷載位移曲線。

試驗(yàn)顯示，各個(gè)跨度下桁架梁模型z向荷載位移曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致。豎向荷載較小時(shí)，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(dá)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(zhǎng)，表現(xiàn)出塑性特征。

通過(guò)試驗(yàn)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(wú)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(guò)對(duì)鋼桁架梁進(jìn)行靜力非線性分析，對(duì)比跨度及桿件尺寸對(duì)桁架梁受力性能的影響，研究桁架梁在荷載作用下的應(yīng)力分布和變形情況，得到以下結(jié)論：

第一，通過(guò)對(duì)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(gè)跨度下桁架梁在極限荷載作用下的應(yīng)力分布及變形規(guī)律基本一致。

第二，適當(dāng)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(shí)塑性區(qū)主要在跨中弦桿處，而腹桿相對(duì)受力較小，跨中弦桿先于腹桿破壞，滿(mǎn)足“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)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(shuō)明構(gòu)件從屈服到破壞有一定的安全儲(chǔ)備空間，可保證構(gòu)件安全有效。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系雖然目前還存在不少問(wèn)題，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它符合工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展方向。建筑業(yè)應(yīng)在整個(gè)行業(yè)范圍內(nèi)形成技術(shù)創(chuàng)新的氛圍和機(jī)制，轉(zhuǎn)變觀念，投入更多的人力物力進(jìn)行新型裝配式結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)研究，從而推動(dòng)建筑工業(yè)化的發(fā)展。以上內(nèi)容就是“裝配式建筑知識(shí)分享：裝配式鋼結(jié)構(gòu)桁架梁承載力性能研究”，更多裝配式新發(fā)展新資訊，歡迎繼續(xù)關(guān)注環(huán)球網(wǎng)校裝配式建筑行業(yè)頻道!點(diǎn)擊下方免費(fèi)下載，獲取裝配式精華考點(diǎn)/課程講義。