關(guān)志榮

摘 要：結(jié)合某工業(yè)廠房需要增加懸臂結(jié)構(gòu)以滿足工藝要求，考慮了三種懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即廠房鋼框架懸掛方案、預(yù)應(yīng)力鋼框架方案和鋼桁架方案^[1]。使用有限元軟件ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了分析^[2]，得到了各結(jié)構(gòu)在荷載作用下的承載力和撓度，并通過(guò)對(duì)比采用了鋼桁架方案，鋼桁架結(jié)構(gòu)的承載力和撓度不僅滿足要求，而且施工方便，為解決工程中類似的懸臂結(jié)構(gòu)問(wèn)題提供了參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力鋼框架;懸臂鋼桁架;ANSYS;撓度控制

一、背景介紹

某工業(yè)廠房需要增加懸臂結(jié)構(gòu)以滿足工藝要求，為了充分利用既有建筑物，需要在較高的位置設(shè)置跨越地面的懸臂結(jié)構(gòu)走廊與另一側(cè)連接。懸臂結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為15m，由于斜撐構(gòu)件呈節(jié)間布置，在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了懸臂結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的問(wèn)題，利用有限元軟件ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析對(duì)比。

二、有限元分析過(guò)程

有限元分析是在對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，對(duì)未知量的實(shí)際情況進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，進(jìn)行有限元分析時(shí)，必須對(duì)所分析問(wèn)題有一個(gè)完整的把握，同時(shí)梳理出相對(duì)完善的結(jié)構(gòu)分析程序。具體分析過(guò)程為設(shè)定工程實(shí)際條件，選擇單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料類型，建立有限元模型，模型自由度約束與荷載施加，求解得到結(jié)果。

三、懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）方案1懸掛在鋼框架上：由于懸臂式結(jié)構(gòu)布置在較高的位置，且與工廠鋼架梁距離較近，所以將懸臂式結(jié)構(gòu)掛在鋼梁上是大家首先想到的解決方法。但由于原廠房鋼框架設(shè)計(jì)未考慮懸臂結(jié)構(gòu)重量和活載，因此，鋼框架能否滿足承載力要求是采用該方案的關(guān)鍵。使用PKPM軟件對(duì)增加了荷載的鋼架進(jìn)行分析，得出鋼框架的內(nèi)力已超過(guò)其有效的承載能力，因廠房?jī)?nèi)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)鋼框架加固影響正常的生產(chǎn)秩序，難以實(shí)現(xiàn)。綜上所述，方案1是不可取的。

（二）方案2預(yù)應(yīng)力鋼框架：懸臂結(jié)構(gòu)的重量只能由支撐體系本身承擔(dān)，為此新建鋼框架，作為懸臂結(jié)構(gòu)的支撐。考慮到懸臂結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，傾覆力矩較大，采用鋼結(jié)構(gòu)框架作為2跨3層的支撐體系，鋼框架結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

在預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)方案中，由于Q235鋼受動(dòng)荷載的影響，選用的鋼材種類較多，對(duì)鋼材的性能要求較高。在框架上部布置體外預(yù)應(yīng)力筋，采用3根直徑30mm的高強(qiáng)鋼筋，在一定距離將懸臂H型鋼拉住。在結(jié)構(gòu)不承受外荷載之前，先張拉高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力筋，以預(yù)應(yīng)力抵抗接受使用時(shí)所受的荷載。

本預(yù)應(yīng)力鋼框架是不規(guī)則框架，同時(shí)又有體外預(yù)應(yīng)力筋的布置，采用ANSYS對(duì)預(yù)應(yīng)力框架進(jìn)行模擬，不僅計(jì)算速度快，而且精度高。Beam188單元為二維梁?jiǎn)卧脕?lái)模擬框架梁柱。有限元模型如圖1所示。柱底各自由度均設(shè)置約束，豎向荷載在高度8m處施加。根據(jù)要求，懸臂結(jié)構(gòu)活載標(biāo)準(zhǔn)值為0.4KN/m²。使用ANSYS對(duì)程序進(jìn)行靜力分析，分別采用基本荷載組合和標(biāo)準(zhǔn)荷載組合計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，如圖2所示?？刂平孛嫖挥趹冶哿焊浚A(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼筋在此位置兩面應(yīng)力最大。在正常使用極限狀態(tài)下，懸臂梁的變形量為32.6mm，小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，滿足要求。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼束張拉難度較大，且需在地面以上施工，高空作業(yè)安全隱患大。

（三）方案3鋼桁架：在鋼桁架結(jié)構(gòu)方案中，選用Q235鋼材，采用Beam188單元模擬梁柱。由于斜撐是二力桿，使用Link8單元對(duì)其進(jìn)行模擬。在柱底對(duì)各自由度進(jìn)行約束，在8米高度處施加豎向荷載，有限元模型如圖3所示。根據(jù)要求，懸臂結(jié)構(gòu)活載標(biāo)準(zhǔn)值為0.4kn/m²。程序采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行靜力分析，分別采用基本荷載組合和標(biāo)準(zhǔn)荷載組合計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，如圖4所示?？刂平孛嬉苍趹冶哿旱母?。在正常使用極限狀態(tài)下，懸臂梁的變形量為12.8mm，小于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足要求。

（四）兩種方案的比較

預(yù)應(yīng)力鋼框架與鋼桁架的比較見(jiàn)表1。

考慮到廠房?jī)?nèi)懸臂結(jié)構(gòu)的特殊要求，以及建造過(guò)程的難易程度，以及在使用過(guò)程中若變形過(guò)大，將影響懸臂結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)的連接，最終選擇懸臂鋼桁架方案設(shè)計(jì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合某工業(yè)廠房需要增加懸臂結(jié)構(gòu)以滿足工藝要求，考慮了三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即廠房鋼框架懸掛方案、預(yù)應(yīng)力鋼框架方案和鋼桁架方案。使用ANSYS對(duì)方案進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)在荷載作用下的承載力和撓度，通過(guò)對(duì)比采用鋼桁架方案，為解決工程中類似的懸臂結(jié)構(gòu)問(wèn)題提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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