摘 要： 門式剛架輕型廠房近年來在我國(guó)取得了廣泛的應(yīng)用，本文運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)門式廠房進(jìn)行了整體有限元模擬分析，提出了在門式剛架廠房設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題。
　　關(guān)鍵詞： 廠房實(shí)體模型 門式鋼結(jié)構(gòu) 有限元模擬分析
　　
　　輕型門式廠房是目前國(guó)內(nèi)發(fā)展速度最快的新型鋼結(jié)構(gòu)形式，它以其強(qiáng)度高、施工速度快、受力性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)中。本文通過對(duì)門式剛架廠房的模型設(shè)計(jì)與制作，對(duì)該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)注意的問題作如下初步分析和探討。
　　1.門式剛架輕型廠房的模型模擬與分析
　　模型的計(jì)算假定：（1）本模型所有構(gòu)件假定為理想彈性材料，符合HOOKE定律；（2）剛架梁柱連接用3節(jié)點(diǎn)的Beam189單元。廠房檐口高度6.2m，跨度9m，柱距6m，屋面活載0.65KN/m2，屋面恒載0.25KN/m2等。
　　有限元法將所研究的工程系統(tǒng)（engineering system）轉(zhuǎn)化成一個(gè)有限元系統(tǒng)（finite element system），該有限元系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)（node）及單元（element）組合而成還包含工程系統(tǒng)本身所具有的邊界條件（約束條件、外力荷載等），它可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)數(shù)學(xué)模式，并據(jù)此得到該有限元系統(tǒng)的解答，然后再通過節(jié)點(diǎn)單元表現(xiàn)出來。有限元分析流程的解題步驟如下：（1）結(jié)構(gòu)離散化：結(jié)構(gòu)離散化是有限元法分析的第一步，即將要分析的結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)單元體，離散后單元與單元之間利用節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、單元性質(zhì)，以及單元的數(shù)目等都應(yīng)視問題的性質(zhì)、計(jì)算精度和所要描述的變形形態(tài)而定。有限元法中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是通過一定方式連接起來的同樣屬性材料的集合體。（2）單元特性分析：位移模式—單元屬性—等效節(jié)點(diǎn)力。（3）整體剛度矩陣組裝應(yīng)用結(jié)構(gòu)的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原結(jié)構(gòu)重新組裝起來，形成整體剛度矩陣：KU=F。（4）求解未知節(jié)點(diǎn)位移求解方程組，得出未知節(jié)點(diǎn)位移。應(yīng)用彈塑性力學(xué)中的幾何方程和物理方程，求出單元的應(yīng)力、應(yīng)變。一般完整的有限元程序（finite element program）包含前處理（preprocessing）、解題程序（solution）和后置處理。在前處理中，首先建立有限元單元模型所需輸入的資料，單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)排序、材料特性等；劃分網(wǎng)格，形成單元，再加入邊界、荷載條件。在解題程序中計(jì)算出單元?jiǎng)偠染仃噞U}={F}求解。最后，在后置處理中，通過圖形接口將解題部分得到的解答以等位移圖、等應(yīng)力圖等方式顯示出來。
　　2.門式剛架的分析結(jié)果
　　計(jì)算步驟:首先材料符合基本假定；有限元模型的單元屬性選擇；定義材料屬性的定義；有限元的幾何模型建立；有限單元的劃分，如利用分網(wǎng)工具（MESH TOOL）依次拾取幾何體素，分配相應(yīng)的單元屬性，包括材料號(hào)（MAT）、實(shí)常數(shù)號(hào)（REAL）、單元類別號(hào)（TYPE）和單元?jiǎng)澐殖叽纾⊿IZE）等，然后選擇全體（SELECT ALL），進(jìn)行劃分（MESH）；最后是求解設(shè)置，靜力計(jì)算一般圖門式剛架廠房的有限元模型分析選取PREFERENCE為STRUCTURAL，對(duì)模型采用非線性有限元分析，同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性；采用von Mises屈服準(zhǔn)則；按理想彈塑性考慮；采用牛頓-拉斐遜法自動(dòng)不斷修正彈塑性剛度矩陣，追蹤非線性變化過程。有限元建模如圖所示。
　　3.結(jié)論
　　通過對(duì)門式剛架廠房進(jìn)行有限元模擬分析，得出以下建議：
　?。?）為了有效地增加門式剛架的受力穩(wěn)定性，應(yīng)合理地設(shè)置剛架支撐體系；
　?。?）采用變截面的梁和柱，能夠有效地較少用鋼量；
　?。?）可對(duì)梁柱連接采用半剛性連接，以改善其抗震性能。
　　本文運(yùn)用有限元分析軟件，對(duì)門式廠房進(jìn)行了整體有限元模擬分析，提出了在門式剛架廠房設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題。
　　
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　　本項(xiàng)目由江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：CX1022。