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近年來，大量集貿(mào)市場、活動中心和簡易廠房采用了鋼網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)。在鋼網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計參數(shù)初步確定后，如何對參數(shù)的可行性和結(jié)構(gòu)的可靠度進(jìn)行評價是個重要問題。目前在很多建筑設(shè)計院中采用中國建筑設(shè)計研究院開發(fā)的ＰＫＰＭ軟件進(jìn)行檢算。本研究基于有限元理論，利用ANSYS軟件對鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析建模、劃分網(wǎng)格、加載并求解，對該結(jié)構(gòu)的變形和強(qiáng)度進(jìn)行檢算。
某集貿(mào)市場的屋蓋為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由簡支的鋼網(wǎng)格組成，接頭設(shè)置在網(wǎng)格的交點(diǎn)處。整個屋蓋為32ｍ×32ｍ，由16×16個網(wǎng)格組成，每個網(wǎng)格為2ｍ×2ｍ，網(wǎng)格高1ｍ。所有網(wǎng)格都采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件拼裝而成，包括角鋼、鋼板和中空方鋼，接頭為鋼板加螺栓組成，接頭板厚10ｍｍ，螺栓為Ｍ20型。屋蓋頂部采用鋼屋面板作為防水材料，厚1.6ｍｍ。
該集貿(mào)市場屋蓋鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的平面和立面布置圖如圖所示，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上、下弦桿，斜桿和豎桿所采用的型鋼如圖所示，進(jìn)行計算所用到的參數(shù)如表所示。
通過方程的求解，可得到鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的位移和結(jié)構(gòu)內(nèi)各桿件的軸力。本研究鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的位移對應(yīng)著結(jié)構(gòu)的變形，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)各桿件的軸力對應(yīng)著結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)變形及其強(qiáng)度正是本設(shè)計的2個重要指標(biāo)。有限元理論的具體應(yīng)用和結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的求解分析見下文。
在對具體問題進(jìn)行有限元分析時，首先要做的就是針對相應(yīng)問題建立適當(dāng)?shù)挠邢拊Ｐ停晒?jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成的有限元模型與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外形是一致的，其中最主要的是單元類型和形狀的選擇，以及網(wǎng)格的劃分。
由于鋼網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)中各桿件在端點(diǎn)處通過螺栓、鉚釘、銷釘或焊接而連接在一起，故本研究在建模前進(jìn)行2點(diǎn)假設(shè)：一是各桿件均由光滑的桿件和球形節(jié)點(diǎn)連接在一起，而且只要連接構(gòu)件的中心線相交于一點(diǎn)，通過螺栓或焊接而連接的節(jié)點(diǎn)都看作光滑的銷釘(無彎曲)；二是所有外荷載均施加在節(jié)點(diǎn)上。
啟動ANSYS程序，依次定義材料、結(jié)構(gòu)實常數(shù)和分析單元的類型。打開link1實常數(shù)對話框，添加4種link1單元的實常數(shù)，鋼網(wǎng)架屋頂中上、下弦桿、豎桿和斜桿的截面積分別為0.001 952ｍ2、0.001 35ｍ2、0.000 7ｍ2和0.000 389 2ｍ2。然后輸入鋼材的彈性模量2×1011及其泊松比0.3，關(guān)閉材料本構(gòu)模型對話框，建立該鋼網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖所示。
在建立了有限元模型之后，就可以對模型施加荷載并求解。施加荷載是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵步驟之一，可直接對實體模型施加荷載，也可以對網(wǎng)格劃分之后的有限元模型施加荷載。本研究采用后者，對網(wǎng)格劃分完畢后的有限元模型進(jìn)行了加載。在ANSYS中對模型施加荷載，可有多種方法，而且通過荷載步選項，可以控制求解過程中如何使用荷載。荷載包括邊界條件和模型內(nèi)外部的作用力，在結(jié)構(gòu)分析中通常有：位移、力、彎矩及溫度等。本研究中采用的外荷載為施加于節(jié)點(diǎn)上的集中力，邊界條件為在模型左端相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處ｘ、ｙ兩方向無位移(固定鉸支座)，在右端相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處ｙ方向無位移(活動鉸支座)。
根據(jù)鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的實際受力情況，對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行加載模擬，在下弦桿各節(jié)點(diǎn)處施加方向向下、大小為352.6ｋＮ的力，在上弦桿中間部分各節(jié)點(diǎn)處施加方向向下、大小為806.4ｋＮ的力，在上弦桿兩端節(jié)點(diǎn)處施加方向向下、大小為403.2ｋＮ的力，加上外荷載和相應(yīng)邊界條件后的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖所示。
經(jīng)本研究分析，得出結(jié)論如下：
(1)在隧道洞外精密控制測量的復(fù)測中，對組成的同名基線進(jìn)行距離和方位角對比可以很驗證復(fù)測成果是否符合施工精度要求。
(2)同名基線的驗證方法可以有效地反映觀測誤差對隧道橫向貫通誤差的影響。
(3)工程實踐證實，同名基線對比分析可避免過于繁瑣的內(nèi)業(yè)工作，及時確保施安全和進(jìn)度。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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