基于有限元软件分析某大[门钢结构的设计.docx

    基于有限元软件分析某大[门钢结构的设计    王秋婧摘要：利用有限元分析软件MIDAS/Gen对某工程大门的大跨度钢结构进行受力分析从结构形式的选取、荷载施加、约束条件等方面分别进行阐述说明并根据计算结果进行钢结构截面设计以及结构根部连接节点设计最后针对本工程钢结构的独特性进行讨论分析关键词：有限元计算;钢结构;受力分析;截面设计：TU392.5;TU758.11：A：1674—3024（2019）06—0208—02门，是建筑的脸面，又是独立的建筑，是建筑的形象和气质所在随着时代的发展，社会的进步，人们对建筑大门的造型要求越来越高，形式越来越复杂，常用大跨度并结合铝板幕墙或者石材幕墙等方式来实现门的外视效果以及功能作用虽然实腹式构件制作简单，与其他构件连接方便，如钢管，工字钢，H型钢等，幕墙工程中常采用这种形式，但是遇到跨度较大的结构，将会造成工程用钢量的增加，而且截面过大，导致难以采购或者增加采购周期等问题，综上考虑常采用格构式或者建立梁—桁架组合的结构方式来替代笔者在某工程大门钢结构设计过程遇到此类问题，故此通过整个结构计算过程来进行分析说明1 工程概况该工程为某公司厂区正大门，原始设计为一侧门卫房，一侧石材独立墙，结构简单且样式单一，如图1所示。

为了体现公司的特点，增加建筑的独特性，最终的施工方案在原方案基础上增加了大跨度铝板带造型，以显示其空间感及层次感，如图2所示铝板带造型的内部钢结构跨度36.7m，主立柱高12.8m，其中悬挑高度为5.4m2 结构设计构思本工程造型铝板带完成面高度为600mm，简支段跨度为20.8m，跨度较大内部结构如果选取实腹梁结构，钢梁截面在强度和挠度方面都很难满足要求，同时不合适的截面会造成中间变形过大，产生凹陷如果增大截面特性，将会导致结构笨重且增加采购的难度因此本工程在设计铝板内部的龙骨结构时考虑选取钢桁架的结构形式因为桁架结构受力明确，以弦杆代替翼缘，以腹杆代替腹板，整体受弯时，弯矩表现为上、下弦杆的轴心压力和拉力，剪力表现为各腹杆的轴心压力或拉力桁架结构对跨度和高度较大的构件，其钢材用量比实腹梁有所减少，但刚度却有所增加对于主立柱，选取四肢组合柱形式，通过缀条连成整体，此种结构形式比实腹柱用钢量省且结构稳定性好3 结构荷载计算结构主要承担如下荷载（1）结构自重荷载，钢材的重力密度为7.85x10-6kg/mm3，重力加速度为9.8N/kg，钢结构自重由程序自动添加;（2）铝板幕墙自重标准值，取0.5kPa，施加于结构上;（3）风荷载，参考《建筑结构荷载规范》（GB5009—2012）相關规定，分别计算在正压作用及负压作用的风荷载标准值，考虑到结构主要受风荷载作用，因此参照围护结构取局部体型系数。

4）雪荷载，参考《建筑结构荷载规范》（GB5009—2012），屋面积雪分布系数取2，基本雪压按当地参数50年雪压选取建筑结构设计根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，取最不利组合进行设计，因此考虑荷载在最不利组合情况下对结构的影响，对于主柱施加面板自重与风荷载组合，对于水平梁结构，将面板荷载，雪荷载与正（或负）风压荷载的组合，选取最不利工况进行荷载施加，通过施加荷载设计值验算结构的强度，施加荷载标准值验算结构的挠度4 模型建立及结果分析4.1 计算模型及边界条件结构计算模型如图3所示，选取的单元为梁单元及桁架单元虽然结构跨度大，但是形式简单，且自重较轻，主柱采取铰接的柱脚连接形式，与门卫房屋顶处连接的柱子同样采取铰接支座，虽然此位置会增加短柱的截面，但是可以降低支座反力，不会因门卫房的屋顶结构无法满足反力要求而使造型结构难以实现主柱的缀条与柱肢刚性连接，水平结构次梁与主梁为铰接连接4.2 截面选取本工程结构主要为拉弯构件和压弯构件，截面为非圆管截面，按照下列方法即可进行截面的强度验算：公式式中：N——同一截面处轴心压力设计值（N）M、M——分别为同一截面处对x轴和y轴的弯矩设计值（N.mm）γ、γ——截面塑性发展系数。

A——构件的净截面面积（mm2）W——构件的净截面模量（mm3）f——钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值（MPa）计算结果为主立柱截面为200x200x8箱型截面，主梁截面为100x100x8箱型截面，桁架截面为63*4角钢截面应力计算结果如图4所示，位移计算结果如图5所示，均满足相关要求平面内的整体稳定性验算，采用下列方法，即：公式式中：N——所计算构件范围内轴心压力设计值（N）;M——所计算构件段范围内的最大弯矩设计值（N.mm）;ψx，NEx——分别为弯矩作用平面内轴心受压构件稳定性系数和参数，由长细比换算;A——构件的毛截面面积（mm2）;W1x——对虚轴的毛截面模量（nmm3）;βmx——等效弯矩系数4.3 支座节点连接设计有限元计算结果中，约束位置的节点号如下图6，对应的反力值参见表1门卫房屋面对应的约束反力值均在其主体结构的承受范围内，支座可以通过设置平板埋件或者常规后置埋件即可实现5 结语本文给出了复杂造型大门的钢结构实际施工案例受力分析的具体思路，分别从以下方面全面阐述（1）实腹式截面和格构式截面的优劣性分析来确定合适的结构方案;（2）有限元模型简化;（3）荷载取值;（4）边界处理，即由于简支梁另外一端通过短柱固定在门卫房屋顶，需要考虑该屋顶主体结构是否可以承担结构的反力作用，因此从降低反力值的角度考虑，此位置设置铰支座比刚接支座更合理;（5）构件截面确定。

通过有限元计算得出选取的方案满足工程规范的设计要求及实际施工要求通过此文希望给工程师们在类似的钢结构受力分析方面提供参考与借鉴参考文献：[1]凤元利.大门建筑设计[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2001（9）.[2]魏明钟.钢结构（第二版）[M].武汉：武汉理工大学出版社，2002.10.[3]中华人民共和国国家标准.钢结构设计标准[S]（GB50017—2017）.[4]中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范[S]（CB50009—2012）.[5]王昌兴.MIDAS/Gen应用实例教程及疑难解答[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.[6]李和华.钢结构连接节点设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1992.  -全文完-。