装配式轻钢结构屋面板连接节点受力分析

(整期优先)网络出版时间:2018-12-22
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装配式轻钢结构屋面板连接节点受力分析

计康生

安徽中亚钢结构工程有限公司安徽合肥230051

摘要:根据工程实际项目运用通用有限元软件ADINA对装配式轻钢结构屋面板连接节点进行了受力分析。结果表明:不同角度的连接节点承受的极限荷载基本相同,应力比和位移满足规范的要求,偏于安全;在设计荷载作用下,节点板与钢屋架的角度对计算结果影响不大。

关键词:装配式轻钢结构;模块化;ADINA

引言

装配式轻钢结构建筑,由主体结构、基础、墙面、楼面、屋面等单元模块组成,各单元模块在工厂加工制作完成,施工现场将各单元模块组装起来,形成具有轻质、节能、环保、舒适等功能为一体的绿色建筑,有时也称为模块化集成建筑。装配式轻钢结构建筑重量轻,现场湿作业量少,施工安装便捷,现场工期是传统建筑建造周期的10%-30%。装配式轻钢结构建筑,能够实现标准化设计,工厂化生产,装配化施工,广泛应用于建设工地的临时办公室、宿舍;城市办公、民用安置和展览等临时用房;旅游区休闲别墅、度假屋等[1]。

1工程概况

本文工程实际项目为装配式轻钢结构别墅,主体结构采用钢框架,外墙板和屋面板采用薄壁型钢组合墙板[2],楼板使用钢筋桁架叠合楼板,部分现浇,以减少模板和现场湿作业量,内墙板采用陶粒混凝土轻质空心条板,实行标准化设计,工厂加工制作,现场装配化施工。屋面板属于不规则的多坡屋面,为安装方便,拟采用模块化设计,与钢结构屋架通过多种节点机械连接。

根据工程经验设计的连接节点计算简图如图1所示,表1为屋面板连接节点设计参数,角度α等于66°时为节点板与钢屋架的最小夹角,角度α等于144°时为最大夹角,钢屋架侧面用垫板局部加厚。屋架和连接板材料均为Q235,强度设计值为215MPa,泊松比0.3,弹性模量2.06x105MPa,质量密度7850kg/m3,屋面板传递到节点板的最大压力设计值约为20kN。

2建立节点受力有限元模型

由于屋面板连接节点较为复杂,考虑运用通用有限元软件ADINA对屋面板连接节点进行受力分析,建立有限元计算模型,验证连接节点的可靠性[3-4]。

(1)材料选取:钢材使用理想的弹塑性模型,选用Bilinear材料,通过设置弹性模量、泊松比、屈服强度、质量密度等参数建立钢材的材料特性;

(2)单元选取:钢屋架、侧面垫板、节点板和支撑板均使用3D实体单元,一般8节点的六面体单元基本能够满足精度要求,同时能够分析连接节点整个受力过程中的细部变化;

(3)边界条件和加载:计算模型两端设置边界,约束x,y和z向平动自由度;加载函数通过TimeFunction和TimeStep设置,按2kN逐级加载,采用位移收敛准则。

(4)网格划分:由于节点的板厚较薄,网格的质量对计算结果有一定的影响,经过试算采用自由网格划分,取最大网格密度为20mm,计算时适应性较好,且精度也能满足要求。图2为JD-1有限元模型。

(5)有限元计算:选择结构静力分析模块,打开自动时间步ATS,辅助计算时收敛。

图2JD-1有限元模型

3节点受力有限元计算结果分析

图3为屋面板连接节点的荷载与水平位移、竖向位移的变化曲线,其中水平位移、竖向位移为节点板处水平、竖向位移的最大值。表2为屋面板连接节点的有限元计算结果比较。其中:设计水平位移、设计竖向位移分别为计荷载20kN时对应的节点板处的水平、竖向位移;极限荷载为整个计算模型所承受的最大荷载;极限水平位移、极限竖向位移分别为极限荷载对应的节点板处的水平、竖向位移。

(a)节点荷载—水平位移曲线

计算结果表明:JD-1、JD-2、JD-3承受的极限荷载基本相同,设计荷载约占极限荷载的65%,设计水平位移、竖向位移远小于挠度限值,满足《钢结构设计规范》(GB50017-2013)[5]的要求,且偏于安全。在设计荷载作用下,节点板与钢屋架的角度α对计算结果影响不大。

4结论

(1)运用有限元软件ADINA可以计算屋面板连接节点等较为复杂的问题;

(2)不同角度的连接节点承受的极限荷载基本相同,应力比和位移满足规范的要求,偏于安全;

(3)在设计荷载作用下,节点板与钢屋架的角度α对计算结果影响不大。

参考文献

[1]原景?,匡合.关于轻钢结构整体装配式建筑结构的研究[J].建筑与装饰,2015.

[2]模块化蒸压加气混凝土轻钢复合保温墙体工程技术规程(CECS454:2016)[S].中国计划出版社,2016.

[3]ADINATheoryandModelingGuide[DB/CD].ADINAR&D,Inc,2011.

[4]岳戈,陈权,等.ADINA应用基础与实例详解[M].北京:人民交通出版社,2008.

[5]钢结构设计规范(GB50017-2013)[s].中国计划出版社,2003.