基于ANSYS模型的轻钢门式刚架静力分析.doc

基于ANSYS模型的轻钢门式刚架静力分析
摘要：轻钢门式刚架结构是单层厂房中一种常见结构，因其用钢量少，结构自重轻，施工速度快，综合经济效益高，近年来得到了迅猛的发展。本文运用ansys有限元软件对其进行静力分析，通过对恒载、活载、风载作用及其组合的计算，得到了结构的内力和变形，为门式刚架的设计提供了参考。
关键词：门式刚架；ansys；静力分析
1.1静力分析简述
在ansys大型软件中，对结构进行静力分析是用来分析在固定不变的载荷作用下结构的效应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力等的分布及变化。在静力分析中，一般都是假定载荷和响应固定不变或载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。
2.1门式刚架有限元分析
2.1.1 作用在刚架上的载荷分类
对于轻型门式刚架结构，所受的荷载基本上有三大类：永久荷载、可变荷载、偶然荷载。
1） 永久载荷即恒载，指轻型门式刚架结构本身各部分的自重，它包括屋面覆盖材料的自重、墙体材料的自重等。
2） 活载荷包括屋面均布载荷、雪载荷、积灰载荷等。
3） 作用在刚架上的风载荷通过《建筑结构荷载规范》（gb50009-2001）中采用的风荷载标准值公式确定。
4） 偶然荷载是指在设计所考虑的结构使用期内，不一定出现，一旦出现，其量值可能很大且持续时间很短的荷载。
2.1.2 载荷的组合效应
门式刚架在使用的过程中需承受多种荷载的作用，在结构设计时需要考虑荷载的组合。我国在处理荷载组合时采取的是国际通用的一种近似荷载组合概率模型，并按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行设计，取最不利组合对结构进行设计计算。

本文的刚架结构中，不涉及到吊车荷载和地震荷载的影响，并综合考虑《建筑结构荷载规范》的规定及门式刚架的特点，所需考虑的工况主要有：
工况一：只考虑恒载
工况二：只考虑活载
工况三：荷载工况组合:1.2x恒载+1.4x活载，
工况四：只考虑风载
工况五：荷载工况组合:1.2x恒载+1.4x0.6x风载
工况六：荷载工况组合:1.2x恒载+1.4x活载+1.4x0.6x风载
2.1.3 门式刚架的静力分析结果
1）工况一：设定所有钢柱柱脚为刚性约束，即约束所有自由度，并施加重力加速度，在全部的刚架梁上施加表面载荷1500n/m。运行ansys软件对其进行分析，计算结果见表2-1。
2）工况二：将重力加速度设为0，对结构钢梁施加3000n/m的载荷，为活载荷，代替雪载荷进行静力分析。进行活载荷分析时，不需要考虑自重。计算结果显示其变形状况与恒载情况类似。具体见表2-1。
3）将上述两种荷载工况文件成功导入，进行荷载工况组合:1.2x恒载+l.4x活载，其结果形成工况三，其y向位移变化仍是结构的主要变形，发生在结构的中间位置。计算结果见2-1。
三种工况下位移图与x向应力图相似，以1.2x恒载+l.4x活载组合工况为例，可以看出在结构中间及框架梁柱相接处的应力值较大，这是由于刚架只在框架梁上受竖直载荷，变形情况与实际相符。
4）工况四：对结构施加风载荷，仅考虑右风作用，大小为1800n/m，风载直接加在右侧刚架梁柱上。左侧框架柱的x向位移比较明显，刚架整体向左侧倾斜，且最大位移与x向最大应力值均出现在结构左侧位置，计算结果见表2-2。，

5）工况五：1.2x恒载+l.4x0.6x风荷载组合。整体位移值最大处于结构中间偏左的位置，最大应力所在位置亦同。计算结果见表2-2。
6）工况六：1.2x恒载+1.4x活载+l.4x0.6x风荷载组合。分别建立恒载、活载、风载三种工况文件，然后赋予其组合效应系数进行工况组合，在此工况下所受应力值是所有工况下最大的。计算结果见表2-2。
通过表2-2中三种工况下数据值对比，发现y向最大位移值与整体结构的最大位移值相近，而x向最大位移值对整体结构的最大位移值影响不大，这是因为x向最大位移值是由加在右侧框架柱上的风载引起的，其出现位置在左侧的框架柱上，而门式刚架的受到的主要静力载荷为竖直方向的载荷，所以y向的位移值与结构的最大位移值相近。
3.1门式刚架静力分析结果小结
1）一般情况下，刚架的y向位移变化是结构的主要变形，这是由结构受载特点决定的。且最大位移出现在刚架结构的中间位置。
2）柱顶节点主要变形是x向的位移值；框架梁的主要变形是y向的位移值。
3）由于结构计算时已经直接将载荷转换到刚架上，故屋面檩条弯矩相对于梁柱弯矩非常小,从弯矩图的中还可以看到刚接的性质；且左侧与右侧弯矩值相近，这是刚架空间协同作用的结果。
4）无风载作用时，刚架整体变形呈左右对称，位移分布合理；在受风载作用时，刚架整体向左侧倾斜，且最大位移与x向最大应力值均出现在结构中间偏左侧的位置。
5）从其受载后最大应力值看，其远未超出应力极限，结构安全。利用ansys大型软件对可以实现门式刚架结构仿真分析。且其强大的前处理建模功能能够迅速、方便地满足工程设计人员对于各类不同构件的迅速搭建,在后处理中对门式刚架结构不同组成构件的力学性能参数有较全面的体现。
参考文献
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[2] 赵晓光，魏志卿.门式刚架轻型钢结构有限元分析. 国外建材科技；2008 29-6
[3] 邱冬瑞.门式刚架轻钢结构优化设计及程序开发.北京工业大学；2008,5.
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