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摘要：对装配式钢结构住宅体系的钢桁架梁承载力进行研究，采用有限元软件ANSYS建立不同跨度、不同弦杆尺寸的钢桁架梁有限元模型，对其进行非线性静力分析，对比不同参数桁架梁的荷载-位移曲线，对桁架梁的极限承载能力以及变形破坏特性进行分析研究，获得装配式钢结构体系中钢桁架梁的破坏机理。钢桁架梁破坏时塑性区主要在跨中弦杆处，而腹杆相对受力较小，跨中弦杆先于腹杆破坏，满足“强剪弱弯”的设计要求；各桁架梁屈服荷载与极限荷载相差比较大，使得构件从屈服到破坏有较大的延性空间。
关键词：装配式钢结构 钢桁架梁 非线性有限元
引言
装配式钢结构住宅是指将房屋的构件、部品在工厂加工、制作完成后，运到现场进行组装的预制装配式建筑。装配式住宅具有制造周期短、抗震性能优越、建筑空间布置灵活、有效使用面积大、综合经济效益好等优点。
有资料显示，到2030年全球城镇化率将会超过30%，届时，住房及其配套的基础设施需求都将成为全球城市建设的主要挑战之一。为满足城镇化进程快速的要求，住宅产业化是一条切实可行的道路。2016年，全国共生产粗钢8.23亿吨，我国粗钢产量已占世界钢产量的50.26%。在经济减速、增长结构变化，主要用钢行业需求放缓的情况下，钢产量居高不下，抑制了钢材价格。在钢材产量上升、价格下降，国家倡导建设新型城镇化的背景下，装配式钢结构住宅必将得到迅速发展。
1钢结构住宅体系概念及特点
1.1钢结构住宅体系概述
各国对住宅体系的理解和做法不尽相同，但一般是指住宅的主体工程，由于选用不同的结构材料、结构类型和施工方法而形成的不同住宅产品，并构成相应的若干从设计到建造的成套技术。钢结构住宅建筑体系以其采用的钢结构形式作为建筑体系分类的依据，成为建筑体系中的一个分支。通常所说的钢结构住宅是指以工厂生产的经济钢型材构件作为承重骨架，以新型轻质、保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构而构成的居住类建筑。钢结构住宅产业化即是以钢结构住宅为最终产品，通过社会化大生产，将钢结构住宅的投资、开发、设计、施工、售后服务等过程集中统一成为一个整体的组织形式。钢结构住宅产业化是钢结构住宅发展的趋势。
1.2钢结构住宅体系的特点
钢结构住宅与传统的建筑形式相比，具有以下的一些特点：
（1）重量轻、强度高。由于应用钢材作承重结构，用新型建筑材料作围护结构，一般用钢结构建造的住宅重量是钢筋混凝土住宅的二分之一左右，减小了房屋自重，从而降低了基础工程造价。由于竖向受力构件所占的建筑面积相对较小，因而可以增加住宅的使用面积。同时由于钢结构住宅采用了大开间、大进深的柱网，为住户提供了可以灵活分隔的大空间，能满足用户的不同需求。
（2）工业化程度高，符合产业化要求。钢结构住宅的结构构件大多在工厂制作，安装方便，适宜大批量生产，这改变了传统的住宅建造方式，实现了从 “建造房屋”到 “制造房屋”的转变。促进了住宅产业从粗放型到集约型的转变，同时促进了生产力的发展。
（3）施工周期短。一般三、四天就可以建一层，快的只需一两天。钢结构住宅体系大多在工厂制作，在现场安装，现场作业量大为减少，因此施工周期可以大大缩短，施工中产生的噪音和扬尘、以及现场资源消耗和各项现场费用都相应减少。与钢筋混凝土结构相比，一般可缩短工期二分之一，提前发挥投资效益，加快了资金周转，降低建设成本3%-5%。
（4）抗震性能好。由于钢材是弹性变形材料，因此能大大提高住宅的安全可靠性。钢结构强度高、延性好、自重轻，可以大大改善结构的受力性能，尤其是抗震性能。从国内外震后情况来看，钢结构住宅建筑倒塌数量很少。
2有限元模型
第一，几何模型。为了对比不同跨度下、不同弦杆尺寸下钢桁架梁的受力性能，我们分别建立3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米5种跨度下的钢桁架梁，钢桁架梁均采用Q235钢材，有限元模型采用solid187实体单元。
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第二，材料本构模型。应力应变关系采用三折线模型来模拟，它可以模拟多线性随动强化效应，考虑包辛格效应，模型分析采用Mises屈服准则及相关流动准则。
第三，网格划分。本钢桁架梁模型的主体部分杆件多、形状不规则，采用solid187四面实体单元，它是高阶3维10节点固体结构单元，在二次位移模式下可以更好地模拟不规则桁架梁。选择合理网格密度进行自由网格划分；为防止过渡部分单元畸形，弹性垫块同样选用自由网格，划分为四面体单元，以实现计算效率和精度的平衡。
第四，边界条件。桁架梁两端柱座底下分别添加刚性垫块，为了模拟梁两端柱座底下的铰接支座，对刚性垫块进行铰接线约束，对垫块底部面中轴线上所有节点的x、y、z 方向平动自由度进行约束。
第五，加载制度。对桁架梁进行非线性静力分析，求解采用力收敛准则，应用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧长法进行非线性求解，打开自动时间步长控制及线性搜索利用建立的有限元模型，对桁架梁施加均布面荷载，整个加载分施加重力荷载、在桁架梁上弦上表面施加均布面荷载两个荷载步。
3有限无计算结果分析
运用大型通用有限元软件ANSYS建立跨度3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米的精细非线性有限元模型。该模型采用静态分析，在求解过程中，考虑模型的几何非线性、材料非线性以及应力刚化效应，求解类型选择“大变形静力”，迭代方式按照默认选项，输出计算的所有的荷载步和子步的结果。
第一，应力分布。通过有限元非线性分析,对装配式钢结构桁架梁在竖向荷载下的极限承载能力、变形特性和破坏形态进行探究，从而找到桁架梁的受力薄弱区域，对应力分布和发展规律做进一步研究，从本质上获得钢桁架梁的工作性能和破坏机理。
试验结果显示，5种跨度的桁架梁在极限荷载作用下的应力分布规律基本一致，同种跨度下不同弦杆尺寸的桁架梁在极限荷载作用下的应力分布规律也基本一致。弦杆应力大于腹杆，弦杆受压承受弯矩，腹杆受剪力，所有桁架梁满足规范“强剪弱弯”的设计要求。
第二，变形情况。由于钢桁架梁位移主要体现在竖向挠度上，因此得到极限荷载作用下的z向位移云图。
实验显示，极限竖向荷载作用下， z向位移最大值位于梁跨中弦杆处。跨度越大、弦杆尺寸越小，跨中位移越大，但总体的变形分布规律一致。考虑到z向位移在整体变形中起控制作用，故提取5种跨度梁的z向位移最大点的z向位移及对应的竖向荷载值，绘制各跨度桁架梁的荷载位移曲线。
试验显示，各个跨度下桁架梁模型z向荷载位移曲线发展趋势基本一致。竖向荷载较小时，荷载—位移曲线成线性分布，结构处于弹性阶段；随着荷载逐渐加大，桁架梁跨中上弦杆先达到屈服；继续加大竖向荷载作用，桁架梁跨中弦杆处屈曲变形急速增长，表现出塑性特征。
通过试验可以看出，增加弦杆尺寸可以有效地增大桁架梁的承载力，但也不是无限的增加。几种桁架梁极限荷载为屈服荷载的1.3倍左右，使得构件从屈服到破坏有一定的安全空间，可保证构件安全有效。
结论
通过对钢桁架梁进行静力非线性分析，对比跨度及杆件尺寸对桁架梁受力性能的影响，研究桁架梁在荷载作用下的应力分布和变形情况，得到以下结论：
第一，通过对比分析可知，钢桁架梁随着跨度增大，极限承载力逐渐减小，但各个跨度下桁架梁在极限荷载作用下的应力分布及变形规律基本一致。
第二，适当增大弦杆尺寸，在保证结构合理破坏模式前提下，能有效地提高桁架梁的极限承载力。
第三，钢桁架梁破坏时塑性区主要在跨中弦杆处，而腹杆相对受力较小，跨中弦杆先于腹杆破坏，满足“强剪弱弯”的设计要求。
第四，几种桁架梁极限荷载为屈服荷载的1.3倍左右，说明构件从屈服到破坏有一定的安全储备空间，可保证构件安全有效。
参考文献
[1]张爱林, 黄欢, 刘学春. 装配式带斜撑钢框架非线性有限元分析[C]// 第十三届全国现代结构工程学术研讨会. 0.
[2]王婧, 尹新生. 方钢管装配式钢结构梁柱节点性能分析[J]. 吉林建筑大学学报, 2016, 33(1):31-34.
论文作者:王静
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年13期
论文发表时间:2019/10/9
标签：桁架论文; 荷载论文; 钢结构论文; 住宅论文; 跨度论文; 位移论文; 应力论文; 《建筑学研究前沿》2019年13期论文;