新型轻钢龙骨体系桁架梁有限元分析
新型轻钢房屋体系楼盖梁试验及有限元分析
第30卷 第7期2008年7月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.30 No.7 J ul.2008新型轻钢房屋体系楼盖梁试验及有限元分析郭耀杰1,陈焰周1,翟 伟1,徐厚军2,沈 鑫3(1.武汉大学土木建筑工程学院,武汉430072;2.中南建筑设计院,武汉430071;3.迈特建筑科技(武汉)有限公司,武汉430056)摘 要: 对宝钢G 550MPa 高强钢材制作的新型轻钢结构房屋体系楼盖梁(桁架梁)进行试验研究及有限元分析。
结果表明,桁架梁上弦杆受力易出现局部屈曲,其特点是腹板内凹处翼缘外翘,腹板外凸处翼缘内收,不符合刚周边假定和平截面假定;整体破坏由上弦中间段局部屈曲的过度变形引起,破坏过程迅速,为脆性破坏。
分析表明ANSYS 能够比较真实地模拟桁架梁的受力过程。
关键词: 高强钢材; 楼盖梁(桁架梁); 局部屈曲; 试验研究; 有限元分析中图分类号: TU 392.1文献标识码: A 文章编号:167124431(2008)0720049204Experiment and Finite Element Analysis for Floor Beams inN e w Light w eight Steel H ousing SystemGU O Y ao 2jie 1,CH EN Y an 2z hou 1,ZHA I Wei 1,X U Hou 2j un 2,S H EN Xi n3(1.School of Civil Engineering ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China ;2.Central 2south Architectural Design Institute ,Wuhan 430071,China ;3.Met Frame Construction Technology (Wuhan )Co ,L TD ,Wuhan 430056,China )Abstract : A research of the experiment and finite element analysis was carried out with floor beams (truss beams )made by high 2strength steel (G 550MPa )from Baosteel in the new lightweight steel housing system.Experiments showed that the mid 2dle of the top chords prone to appearance local buckling.In the same local buckling section ,when the web became concave the flange became outside warp and when the web became prominence the flange became inside shrinkage ,the section no longer meets with the assume of stiffness circum ,overall damage was caused from the excessive deformation of local buckling in the top chord and the destruction process is quickly.Analysis showed that ANSYS can accurately simulate the force process of the truss beam.K ey w ords : high 2strength steel ; roof beams (trussed beam ); local buckling ; experiment ; finite element analysis 收稿日期:2008202209.作者简介:郭耀杰(19622),男,教授,博导.E 2mail :whuguoyaojie @近年来,随着新型轻钢结构体系的迅速发展,壁厚小于1mm 、屈服强度达550MPa 的高强冷弯薄壁型钢结构在国外低层轻钢住宅和冷弯型钢门式刚架体系中开始应用。
桁架有限元分析ppt课件
以图26所示的空间 桁架节点 3 为例，说 明总刚矩阵及总刚方 程的建立。该桁架共 有9个单元，5个节点， 单元及节点编号如图 示。相交于节点3的杆 件有⑥⑦⑧⑨。
图3.26 单元及节点编号
➢ 变形协调条件为连于同一节点上的杆端位移相 等 ，即：
➢ 内外力平衡条件为汇交于同一节点的杆端内力 之和等于该节点上的外荷载，即：
➢ (10)按杆件内力调整杆件截面，并重新计算， 迭代次数宜不超过4～5次。
➢
Ec——K支cx承柱3的EH材c料3Ic弹y 性模量K；cy
3E c I cx H3
➢ Icy、Icx——分别为支承柱绕截面y、x轴的截面惯 性矩；
➢ H——支承悬臂柱长度。
(3)斜边界处理 ➢ 斜边界是指与整体坐标斜交的方向有约束的边界。 ➢ 建筑平面为圆形或多边形的网架会存在斜边界( 图3.27a)。 ➢ 矩形平面网架利用对称性时，对称面也存在斜边 界(图3.27b，c)。
基本未知量
节点平衡及变形协调条件
总刚度矩阵 总刚度方程
引入边界条件
节点位移值
单元内力与节点位移间关系
杆件内力
3.4.1网架计算基本假定
➢ 网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴 力；
➢ 结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变 形很小，符合小变形理论。
奥运会场馆
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3.4.2单元刚度矩阵
一等截面空间桁架杆件ij如图所示，设局部直角坐
图3.27 网架的斜边界约束
➢ 斜边界有两种处理方法，一种是根据边界点的 位移约束情况设置具有一定截面积的附加杆， 如节点沿边界法线方向位移为零，则该方向设 一刚度很大的附加杆，截面积A=106~108(图 3.27b)；如该节点沿边界法线方向为弹性约束， 则调节附加杆的截面积，使之满足弹性约束条 件。这种处理方法有时会使刚度矩阵病态。
ansys桁架和梁的有限元分析
ansys桁架和梁的有限元分析————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：桁架和梁的有限元分析第一节基本知识一、桁架和粱的有限元分析概要1．桁架杆系的有限元分析概要桁架杆系系统的有限元分析问题是工程中晕常见的结构形式之一，常用在建筑的屋顶、机械的机架及各类空间网架结构等多种场合。
桁架结构的特点是，所有杆件仅承受轴向力，所有载荷集中作用于节点上。
由于桁架结构具有自然离散的特点，因此可以将其每一根杆件视为一个单元，各杆件之间的交点视为一个节点。
2．梁的有限元分析概要梁的有限元分析问题也是是工程中最常见的结构形式之一，常用在建筑、机械、汽车、工程机械、冶金等多种场合。
梁结构的特点是，梁的横截面均一致，可承受轴向、切向、弯矩等载荷。
根据梁的特点，等截面的梁在进行有限元分析时，需要定义梁的截面形状和尺寸，用创建的直线代替梁，在划分网格结束后，可以显示其实际形状。
二、桁架和梁的常用单元桁架和梁常用的单元类型和用途见表7-1。
通过对桁架和粱进行有限元分析，可得到其在各个方向的位移、应力并可得到应力、位移动画等结果。
第128页第二节桁架的有限元分析实例案例1--2D桁架的有限元分析问题人字形屋架的几何尺寸如图7—1所示。
杆件截面尺寸为0．01m^2，试进行静力分析，对人字形屋架进行静力分析，给出变形图和各点的位移及轴向力、轴力图。
条件人字形屋架两端固定，弹性模量为2．0x10^11N/m^2，泊松比为0．3。
解题过程制定分析方案。
材料为弹性材料，结构静力分析，属21)桁架的静力分析问题，选用Link1单元。
建立坐标系及各节点定义如图7-1所示，边界条件为1点和5点固定，6、7、8点各受1000N的力作用。
1．ANSYS分析开始准备工作(1)清空数据库并开始一个新的分析选取Utility Menu>File>Clear&Start New，弹出Clears database and Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击OK按钮完成清空数据库。
结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法
结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法大跨度钢桁架整体提升过程是指将钢桁架整体吊装至设计位置的施工过程。
由于钢桁架的自重较大，整体提升过程中会出现变形和应力集中的问题，因此需要进行监测并采取合适的施工工法。
首先，在进行整体提升前，需要进行预应力张拉，以减小整体提升过程中的变形。
预应力张拉可以利用钢缆或钢束进行，在整体提升前将钢缆或钢束安装在钢桁架上，然后张拉预应力，以减小整体提升过程中的变形。
在整体提升过程中，需要进行变形与应力的监测。
常用的监测方法有测量位移、测量应变和测量应力。
测量位移可以采用传感器测量桁架上的一些特定点的位移情况，可以得到整体的位移变形情况。
测量应变可以采用光纤传感器或导线传感器测量桁架上的应变情况，可以得到整体的应变变形情况。
测量应力可以采用应力应变片、拉力计或压力计进行测量，可以得到整体的应力集中情况。
根据监测结果，可以根据变形和应力的情况调整整体提升的工艺。
若发现变形较大，可以减小提升速度或采取局部支撑的方式，以减小变形。
若发现应力过大，可以加强结构的支撑，或局部加固，以减小应力集中，确保结构的安全性。
在整体提升过程中，还需要注意施工工法。
可以采取采用临时支撑的方法，在整体提升过程中为钢桁架提供临时支撑，以减小整体变形。
临时支撑可以采用钢管或钢梁进行，需要根据钢桁架的结构特点和提升过程的实际情况进行合理布置。
同时，还需要控制提升速度，避免过快引起结构的变形和应力集中。
总而言之，大跨度钢桁架整体提升过程中的变形与应力监测施工工法需要结合有限元分析进行，通过预应力张拉、测量位移、测量应变和测量应力等方法进行变形与应力的监测，并根据监测结果调整提升工艺，同时采取临时支撑和控制提升速度等施工工法，以减小整体变形和应力集中，确保钢桁架整体提升的施工安全和结构稳定。
第9章 桁架和梁的有限元分析
第9章桁架和梁的有限元分析第1节基本知识一、桁架和梁的有限元分析概要1．桁架杆系的有限元分析概要桁架杆系系统的有限元分析问题是工程中最常见的结构形式之一，常用在建筑的屋顶、机械的机架及各类空间网架结构等多种场合。
桁架结构的特点是，所有杆件仅承受轴向力，所有载荷集中作用于节点上。
由于桁架结构具有自然离散的特点，因此可以将其每一根杆件视为一个单元，各杆件之间的交点视为一个节点。
2．梁的有限元分析概要梁的有限元分析问题也是是工程中最常见的结构形式之一，常用在建筑、机械、汽车、工程机械、冶金等多种场合。
梁结构的特点是，梁的横截面均一致，可承受轴向、切向、弯矩等载荷。
根据梁的特点，等截面的梁在进行有限元分析时，需要定义梁的截面形状和尺寸，用创建的直线代替梁，在划分网格结束后，可以显示其实际形状。
二、桁架和梁的常用单元桁架和梁常用的单元类型和用途见表９-1。
通过对桁架和梁进行有限元分析，可得到其在各个方向的位移、应力并可得到应力、位移动画等结果。
第2节 桁架的有限元分析实例一、案例1——2D 桁架的有限元分析图9-1 人字形屋架的示意图 问题人字形屋架的几何尺寸如图9-1所示。
杆件截面尺寸为0.01m 2，试进行静力分析，对人字形屋架进行静力分析，给出变形图和各点的位移及轴向力、轴力图。
条件人字形屋架两端固定，弹性模量为2.0×1011 N/m 2，泊松比为0.3。
解题过程制定分析方案。
材料弹性材料，结构静力分析，属2D 桁架的静力分析问题，选用Link1单元。
建立坐标系及各节点定义如图9-1所示，边界条件为1点和5点固定，6、7、8点各受1000 N 的力作用。
1．ANSYS 分析开始准备工作（1）清空数据库并开始一个新的分析 选取Utility>Menu>File>Clear & Start New ，弹出Clears database and Start New 对话框，单击OK 按钮，弹出Verify 对话框，单击OK 按钮完成清空数据库。
基于有限元分析钢桁架混凝土组合梁桥的力学性能
安徽建筑中图分类号：U448.21+1文献标识码：A文章编号：1007-7359（2024）3-0162-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2024.3.059为了使传统钢桁架桥在结构体系上更趋合理、经济性能更具竞争力，钢-混凝土组合桁梁桥应运而生。
其主要通过剪力连接件将混凝土桥面板和钢桁架上弦杆组合在一起共同受力，目前国内外普遍采用有限元分析对钢桁架-混凝土组合结构的力学性能进行研究。
在模拟方法及模型建立方面，王军文等[1]采用了空间杆系梁单元来模拟钢桁架梁，矩形板壳单元模拟公路桥面板；朱海松[2]运用有限元程序SAP-5进行分析，对主桁架分别采用空间刚接梁单元和空间铰接杆单元两种形式进行建模，对混凝土桥面板则亦采用板壳单元建立；周惟德和陈辉求[3]将组合桁架划分为四个单元，混凝土面板采用板单元，钢桁架的上下弦杆采用钢架单元，腹杆则采用杆单元。
不同学者根据所建得的不同模型得出了有关钢桁架-混凝土组合结构的各种研究成果，为后人提供了坚实的基础和有益的参考。
本文基于有限元软件ABAQUS6.10，依托天津滨海新区西外环海河特大桥主桥（95+140+95）m ，建立有限元模型，比较分析钢桁架-混凝土组合梁桥和纯钢桁架梁桥的力学性能。
1研究对象依托工程为上承式钢桁架-混凝土组合梁桥。
立面简图见图1，节点间距及腹杆高度见表1。
图1组合桁架立面简图2计算模拟方法及模型的建立为了保证模型的收敛性，将桁架杆件均划分为梁单元，将桥面板离散为板壳单元。
混凝土桥面板被看成是各向同性的均质材料，且不考虑钢筋的作用，桥面板既可承受压力亦可承受拉力，且不会开裂而导致刚度降低。
所有构件均在弹性范围内工作，其应力-应变关系符合胡可定律，所有由于加工制造和安装原因导致的缺陷、偏心和残余应力影响均不考虑。
分别计算纯钢桁架结构和钢桁架混凝土组合结构在结构自重+活载（汽车荷载）下的位移和应力。
对结构自重（包括结构附加重力），可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定，桥梁结构的整体计算采用车道荷载，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。
钢-混凝土组合桁架节点受力性能试验研究和有限元分析的开题报告
钢-混凝土组合桁架节点受力性能试验研究和有限元分析的开题报告一、研究背景和意义：钢-混凝土组合结构是近年来兴起的一种新型结构体系，具有承载力强、刚度大、耐久性好等优点，被广泛应用于建筑工程领域。
其中，钢-混凝土组合桁架是一种常见的组合结构体系。
它由混凝土构件（一般为混凝土支座或垫层）与钢构件（一般为钢桁架）组合而成。
其结构形式较为灵活，可以根据建筑设计的需要进行设计和加工，并且该结构可以充分利用两种材料的优势，使结构体系的承载能力得到提高。
然而，由于钢-混凝土组合结构具有结构形式复杂、连接节点受力分布不均匀、受力性能难以直接测量等特点，使其在实际工程中应用时存在一定的风险。
因此，对钢-混凝土组合桁架节点的受力性能进行深入研究，对保证钢-混凝土组合结构的安全性、可靠性和耐久性具有重要意义。
二、研究内容：本文将重点研究钢-混凝土组合桁架节点的受力性能。
具体包括以下内容：1、钢-混凝土组合桁架节点的结构形式和受力特点，包括节点的构造类型、受力模式及其特点等方面的分析；2、针对不同节点受力模式，进行试验研究，获取节点的受力性能数据，这些数据包括节点的应力-应变特性、承载能力、滞回性质等；3、采用有限元分析法对钢-混凝土组合桁架节点的受力性能进行模拟分析，验证试验结果的可靠性。
三、研究方法和步骤：1、文献查阅：从国内外期刊、会议论文和专利数据库中查阅相关的钢-混凝土组合结构的研究成果和应用案例；2、试验研究：通过设计并加工出不同类型的钢-混凝土组合桁架节点试件，进行受力试验，并对试验数据进行分析和处理；3、有限元分析：采用现有的有限元软件对钢-混凝土组合桁架节点进行数值模拟，并与试验结果进行比对和验证。
四、预期研究结果：1、深刻理解钢-混凝土组合桁架节点在不同的受力情况下的受力规律和特点；2、获得节点在承载能力、滞回性质、衔接刚度等方面的性能参数；3、对试验结果进行可靠性验证，提高钢-混凝土组合桁架结构的设计和应用水平。
钢桁架-混凝土组合梁空间有限元分析的开题报告
钢桁架-混凝土组合梁空间有限元分析的开题报告
一、选题背景和意义
钢桁架-混凝土组合梁是由钢桁架和混凝土组成，结构具有高度的刚度和承载能力，广泛应用于大跨度建筑结构中。
通过将钢桁架和混凝土
组合起来，可以提高结构的刚度和强度，在一定程度上减少结构自重，
降低建筑物的成本，且具有较好的防震性能。
因此，对钢桁架-混凝土组
合梁的研究具有重要的理论和应用价值。
本文以空间有限元分析方法为基础，结合实际工程项目，对钢桁架-混凝土组合梁的受力情况进行模拟和分析，探究其内部受力特点和变形
规律，为钢桁架-混凝土组合梁的设计和应用提供科学依据和参考。
二、研究内容和方法
本文首先对钢桁架-混凝土组合梁的结构和材料进行介绍和分析，结合实际工程项目，确定其受外力作用下的受力状态和变形规律。
然后，
采用ANSYS有限元软件对钢桁架-混凝土组合梁进行空间有限元分析，研究其内部应力和变形分布情况，包括弯曲应力、剪切应力、轴向应力及
位移等，探究各部分之间的受力关系和相互作用。
最后，将分析结果与
实际工程状况进行比对，验证分析结果的准确性和可靠性。
三、预期成果和意义
本文的研究成果将为钢桁架-混凝土组合梁的设计和应用提供科学依据和参考。
通过对其内部受力特点和变形规律的探究，可以提高结构的
安全性和可靠性，为工程的实际施工和运用奠定基础。
在建筑结构领域，钢桁架-混凝土组合梁是一项新型结构，本文的研究成果将对其推广和应
用产生积极的影响，具有重要的理论和应用价值。
结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法(2)
结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法一、前言大跨度钢桁架是一种常见的工程结构，其在搭建和安装过程中往往需要进行整体提升。
在提升过程中，变形和应力会对结构产生影响，因此需要使用有限元分析来监测和控制这些影响。
本文将介绍一种工法，即结合有限元分析的大跨度钢桁架整体提升过程变形与应力监测施工工法。
二、工法特点该工法的特点是结合了有限元分析和监测技术，对大跨度钢桁架在提升过程中的变形和应力进行实时监测，以确保结构的安全稳定。
通过监测数据分析和处理，可以及时调整施工参数，控制结构的变形和应力，提高施工效率和质量。
三、适应范围该工法适用于各种大跨度钢桁架的整体提升工程，包括体育馆、展览馆、机场航站楼等建筑。
无论结构的尺寸和形状如何，都可以通过有限元分析来实时监测和控制变形和应力。
四、工艺原理该工法的工艺原理是通过有限元分析建立结构的数学模型，根据施工参数和实际施工环境，模拟结构在提升过程中的变形和应力。
通过监测仪器采集的数据，与有限元分析模型进行比对和分析，判断结构的变形和应力是否超过了设计要求。
如果超过了设计要求，可以及时调整施工参数，以减小变形和应力。
五、施工工艺该工法的施工工艺包括以下几个阶段：1. 建立有限元分析模型：根据结构的实际尺寸和材料特性，利用有限元软件建立结构的数学模型，并设置相应的边界条件和加载方式。
2. 搭建支撑系统：根据结构的特点和施工要求，搭建适当的支撑系统，以确保结构的稳定和安全。
3. 安装监测仪器：在结构的关键部位安装监测仪器，包括应变计、加速度计等，以实时监测结构的变形和应力。
4. 提升结构：根据施工计划，采用适当的起重设备和提升工具，对结构进行整体提升。
5. 监测数据采集和分析：在提升过程中，通过监测仪器采集数据，并与有限元分析模型进行比对和分析，判断结构的变形和应力是否满足设计要求。
6. 调整施工参数：如果监测数据发现结构的变形和应力超过了设计要求，可以及时调整施工参数，以减小变形和应力。
4典型结构有限元分析
4典型结构有限元分析结构有限元分析是一种重要的工程分析方法，用于确定和评估各种结构的力学行为。
桁架和梁结构是常见的结构形式之一，下面将介绍这两种结构的有限元分析方法及其应用。
1.桁架结构有限元分析桁架结构是由桁架梁和节点组成的三维刚性体系，广泛应用于大跨度建筑和桥梁等工程中。
桁架结构的有限元分析方法有以下几个步骤：步骤一：建立有限元模型首先，需要建立桁架结构的有限元模型，可以使用各种商用有限元软件。
桁架梁可以用梁单元进行建模，节点可以用节点单元进行建模。
根据实际情况，可以选择不同的单元类型和网格划分方法。
步骤二：施加边界条件和荷载根据实际情况，需要给模型施加合适的边界条件和荷载。
边界条件包括固支、铰支和滑移支等。
荷载可以是点荷载、线荷载或面荷载。
步骤三：求解有限元方程根据桁架结构的几何和力学特性，可以得到有限元方程。
然后，利用数值计算方法求解有限元方程，确定桁架结构的位移、应力和反力等。
步骤四：分析和评估结果分析和评估有限元分析结果，可以得到桁架结构的应力分布、变形情况和稳定性等。
根据评估结果，可以进行优化设计和加强措施的制定。
2.梁结构有限元分析梁结构是由梁和支座组成的一维刚性体系，广泛应用于各种工程中，如建筑、桥梁和机械等。
梁结构的有限元分析方法有以下几个步骤：步骤一：建立有限元模型首先，需要建立梁结构的有限元模型，可以使用各种商用有限元软件。
梁可以用梁单元进行建模，支座可以用支座单元进行建模。
根据实际情况，可以选择不同的单元类型和网格划分方法。
步骤二：施加边界条件和荷载根据实际情况，需要给模型施加合适的边界条件和荷载。
边界条件包括固支、铰支和滑移支等。
荷载可以是点荷载、线荷载或面荷载。
步骤三：求解有限元方程根据梁结构的几何和力学特性，可以得到有限元方程。
然后，利用数值计算方法求解有限元方程，确定梁结构的位移、应力和反力等。
步骤四：分析和评估结果分析和评估有限元分析结果，可以得到梁结构的应力分布、变形情况和稳定性等。
极限状态下的桁架梁及其等代梁的有限元分析
架梁弦杆、腹杆尺寸的确定办法。
１．２ 钢桁架主梁分析
假定一钢桁架主梁，１８ｍ跨，高度为 ２．０ｍ，其上每隔
４．５ｍ均匀分布 Ｆ＝１６５０ｋＮ的荷载，如图 ２所示。不难推
算截面 １—１范围内最大剪力 Ｖ１＝２４７５ｋＮ，截面 ２—２范围 内最大剪力 Ｖ２＝８２５ｋＮ，梁端最大弯矩 Ｍ１＝９２８２ｋＮ·ｍ， 中间段最大弯矩 Ｍ２＝５５６９ｋＮ·ｍ。按照 １．１所述的等代 分析方法，考虑实际 因 素，如 荷 载 分 项 系 数、弦 杆 承 受 板 荷
·４４·
第２０４６ ２卷０年第１２２４期 月
山 西 建 筑
ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ
ＤＶｅｏｃｌ．．４ ６２Ｎ０ｏ２．０２４
文章编号：１００９６８２５（２０２０）２４００４４０３
极限状态下的桁架梁及其等代梁的有限元分析
徐靓玲 陈焰周
（中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 ４３００７１）
桁架梁上下弦杆翼缘与等效实腹钢梁上下翼缘基本一致，
两端及中部全截面进入屈服。２）桁架腹杆以及等效钢梁全
截面进入屈 服。３）桁 架 梁 与 等 效 钢 梁 的 受 力 失 效 过 程 如
下：桁架梁上下弦杆翼缘（等效钢梁上下翼缘）两端部分进
入屈服桁架梁腹杆翼缘在次弯矩作用下局部开始进入屈
服桁架梁上下 弦 杆 翼 缘 （等 效 钢 梁 上 下 翼 缘 ）中 间 部 分
Ａ３≈ｂＨ／６ 根据两者重量基本相同可以得到：
（１） （２）
２（Ａ２ ＋Ａ３ ＋Ａ４／ｃｏｓθ）≈２Ａ１ ＋ｂＨ 其中，θ为腹杆与弦杆的夹角。
（３）
代入 Ａ１＝Ａ２，Ａ３≈ｂＨ／６，则：
Ａ４／ｃｏｓθ≈ｂＨ／３
（４）
根据破坏发生在受弯状态，拟定梁承受最大弯矩为 Ｍ，
钢筋桁架楼板承载力有限元分析
钢筋桁架楼板承载力有限元分析赵建忠;孙磊;王干【摘要】钢筋桁架楼板在工程中的应用日益广泛，深入研究该楼板的受力性能有利于指导实际工程应用。
文章采用有限元分析软件ANSYS对钢筋桁架楼板进行单调静力加载模拟，通过正交试验的方法对剪跨比、底部压型钢板、腹杆等影响因素进行研究。
结果表明：楼板进入弹塑性阶段以后，试验中的4块带钢板的桁架楼板极限弯矩可提高30%左右，同时斜腹杆以及楼板的剪跨比对承载力也有较大的影响。
对钢筋桁架楼板正截面受弯承载力计算公式进行补充和修改，达到了减轻结构自重、降低工程造价的目的。
%In order to make a deep research on the structural behavior of steel bar truss slab,the FEM ANSYS was used to simulate monotonic static loading process of the slab. Through the analysis of different value of parameters of shear-span ratio,steel sheeting,diagonal web member,the same conclusion with the influence pattern of rigidity was achieved as well as the test. According to the results of the test,the formula of load-carrying capacity is advanced for future reference. Also,the shear-span ratio and diagonal web member will impact the capacity. Due to the beneficial effects of steel slabs were not considered,the suggestion was put forward to improve the correlation formulasto ease the weight of the structure and reduce the construction cost.【期刊名称】《山东建筑大学学报》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】7页(P123-128,153)【关键词】钢筋桁架楼板;压型钢板;承载力;有限元分析【作者】赵建忠;孙磊;王干【作者单位】苏州工业园区设计研究院股份有限公司，江苏苏州215021;苏州工业园区设计研究院股份有限公司，江苏苏州215021;苏州工业园区设计研究院股份有限公司，江苏苏州215021【正文语种】中文【中图分类】TU398近年来，随着国民经济快速发展，住房体制发生了巨大改变，住宅建设也获得了巨大发展的机遇，并已成为了我国新的经济增长点。
桁架结构有限元及试验模态分析
图 2 梁单元臂架有限元模型
机 械振 动理 论, 各 阶 固有 振 型的线性叠加 即为结构 表现
出来的振动。其 中低阶 振型
比高阶振型对 结构的振 动贡
献 大, 基 本决 定了 机 械结 构
的动态特性。
三维结构在 无约束 边界
条 件下 的模 态 分析, 计算 出 图 3 壳单元臂架有限元模型 来的前 6阶模态接近于 0, 是 所谓的刚体模态。因此, 真正有意义的模 态应该是从 第 7阶 开始的模态。故臂架有限元模态 分析采用 Lanczos法 来求解
相吻合, 频率误差均 在 10% 以 内, 验证 了 有限 元模 型 的正 确 性和 可 靠性, 确保 了 臂架 系 统 有限 元 分析 的 准
确性。
关键词: 桁架; 有限元模态; 试验模态
中图分类号: TU 322
文献标识码: A
F in ite E lem ent and Experim entalM odal Analysis of the T russ
采用有限元分 析方法 进行 履带起 重机 臂架 的结构 设计 计算将会大大的提高设计效率 [ 1, 2]。但如何保证 有限元模型 建立的正确性及结果的可靠性 和准确性, 很多学者 都做了大 量的研究工 作 [ 3- 6] 。下 面通过 建立 梁单 元及 壳单 元两 种有 限元模型, 进行有限元模态分析, 并与试验模 态分析做 比较, 来修正和验证有限元模型的正 确性, 确保 有限元分 析结果的 可靠性。
2. 北京邮电大学 自动化学院, 北京 100876)
摘 要: 在 ABAQU S软件中分别用 梁单元和壳单元建立了桁架 有限元模 型, 并利 用有限元 模态分析 得到
其低阶固有频率和振型。同时采用锤激法对中间节臂架进行了试验模态 分析, 利用 LM S P olyM AX 分析方 法对
有限元分析(桁架结构)
有限元上机分析报告~学院：机械工程专业及班级：机械设计及其自动化08级7班姓名：***学号：题目编号： 2》1.题目概况结构组成和基本数据结构：该结构为一个六根杆组成的桁架结构，其中四根杆组成了直径为800cm的正方形，其他两根杆的两节点为四边形的四个角。
材料：该六根杆截面面积均为100cm2，材料均为Q235，弹性模量为200GPa，对于直径或厚度大于100mm的截面其强度设计值为190Mpa。
载荷：结构的左上和左下角被铰接固定，限制了其在平面内x和y方向的位移，右上角受到大小为2000KN的集中载荷。
结构的整体状况如下图所示：分析任务】该分析的任务是对该结构的静强度进行校核分析以验算该结构否满足强度要求。
2.模型建立物理模型简化及其分析由于该结构为桁架结构，故认为每根杆件只会沿着轴线进行拉压，而不会发生弯曲和扭转等变形。
结构中每根杆为铰接连接，有集中载荷作用于最上方的杆和最右方杆的铰接点。
单元选择及其分析由于该结构的杆可以认为是只受拉压的杆件，故可以使用LINK180单元，该单元是有着广泛工程应用的杆单元，它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。
这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。
就像铰接结构一样，不承受弯矩。
输入的数据有：两个节点、横截面面积（AREA）、单位长度的质量(ADDMAS)及材料属性。
输出有：单元节点位移、节点的应力应变等等。
由此可见，LINK180单元适用于该结构的分析。
模型建立及网格划分(（1）启动Ansys软件，选择Preferences→Structural，即将其他非结构菜单过滤掉。
（2）选择单元类型：选择Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add，在出现的对话框中选择Link→3d finit stn 180，即LINK180，点击“OK”（3）选择实常数：选择Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete→Add，在出现的对话框中的Cross-sectional area中输入100，点击“OK”。
4典型结构有限元分析(桁架与梁结构)
（2）根据各自的整体部件应用约束并施加负载；
（3）在整体方向上的每个节点的位移表示问题的解。同时在单元端部节点 建立一局部坐标系为x-y，来描述各个杆（单元）的二力杆行为。
Y
fyj
x fxj
y
uyj
FYj
uxj
UYj
fyi uyi
FYi
UYi uxi
fxi Uxi Fxi
Uxj Fxj
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根据杆的节点i和j的坐标和杆的长度的差分得出：
c os X
X j Xi Lm
CXm
cosY
Yj Yi Lm
CYm
(23)
cosZ
Z j Zi Lm
CZ m
式中，m代表第m个二力杆单元；i,j代表第m个二力杆单元的
两个端点即节点；Lm代表第m个二力杆单元的长度，由下式 给出：
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局部坐标系中的纯弯梁单元(续)
材料力学基础知识
弯矩
转角
剪力
弯曲公式： dv
dx
M
EI
d 2v dx2
Q
EI
d 3v dx3
应变和应力公式：
d 2v y dx2
E
Ey
d 2v dx2
坐标
挠度
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局部坐标系中的纯弯梁单元
如图所示为一局部坐标系中的纯弯梁单元。 设有两个端节点，节点位移列阵和节点力列阵为
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[K ]e [T ][K ][T ]1
4. 空间桁架
（1）三维空间桁架
三维桁架通常称为空间桁架，是结构力学和有限元法 中的重要结构形式，也是工程上常见的结构类型之一。如何 快速准确的计算桁架结构各杆件的受力情况下的变形量，是 进行结构设计的基础。
新型轻钢龙骨体系水平位移有限元分析方法
3) 钢带可采用各向同性壳单元 S4R 模拟 。 4) 楼板直接看作是素混凝土层 ,用三维实体单元 C3D8R 模拟 。
工业建筑 2006 年第 36 卷第 7 期
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1 - 上弦管 ;2 - 下弦管 ;3 - V 形连接件 ;4 - 自攻螺丝 图 1 无比钢桁架梁
无比钢中的墙体由桁架片柱 、方柱 、蒙皮 、抗拉钢带及 上 、下 C 型导轨等几部分构成 。图 2 为墙体的主要组成部 分 。桁架片柱是墙体中的主要竖向构件 ,其间距可根据蒙皮 尺寸 、墙 体 高 度 及 荷 载 大 小 等 因 素 确 定 , 一 般 为 400 ～ 600mm ;片柱上 、下弦杆一般为 40mm ×40mm 镀锌冷弯方钢 管 ,厚度 110～210 mm ;片柱中的 V 形连接件一般选择中 、小 型号 ,间距为 600～900mm ,相应的墙体厚度则为 240 、150mm 两种 。桁架方柱由两个片柱通过 V 形连接件连接而成 ,一 般布置在墙体转角处或集中力较大位置处 。蒙皮一般采用 竹编胶合板或 OSB 板 ,但竹编胶合板的耐久性是否满足要 求尚需进一步研究 。板厚 7～12mm 不等 ,在墙体一侧或两 侧通过自攻螺丝与桁架片柱 、方柱中的方钢管相连 。当墙体 水平承载力或刚度不能满足要求时 ,可在墙体单侧或两侧增 设宽 100mm、厚 115mm 的抗拉钢带 。墙体中的上下导轨为冷 弯 C 型截面 ,厚度 110～115mm ,通过 3 颗以上的自攻螺丝与 桁架片柱 、方柱中的方钢管外侧相连 ;楼层上下墙体之间由 螺栓通过导轨相连[3] ,底层墙体的下部导轨通过预埋螺栓与 钢筋混凝土条形基础相连 。
新型连接下轻钢龙骨内墙平面外受力性能的有限元分析
新型连接下轻钢龙骨内墙平面外受力性能的有限元分析* 摘要：为了实现轻钢龙骨内墙与主体钢框架梁的连接既能满足受力性能和物理性能的要求，又能体现预制装配式结构的特点，设计了轻钢龙骨内墙与主体钢梁连接、与地面连接新形式，并利用有限元软件对新型连接下的轻钢龙骨内墙平面外的受力性能进行模拟，分析其承载力、变形和应力变化情况。
研究表明，新型连接下墙体的承载力满足CECS 261∶2009《钢结构住宅设计规范》规定，且能满足多遇地震下框架结构的弹性层间位移限值和罕遇地震下框架结构的弹塑性层间位移限值。
关键词：轻钢龙骨内墙；U形连接件；底部连接件；平面外受力；有限元分析轻钢龙骨内墙是由龙骨、面板和岩棉等材料组成的复合墙体，其中竖龙骨起支撑作用，两侧面板与竖龙骨用自攻螺钉固定，中间空腔填加吸声材料，以满足内墙隔声性能要求。
轻钢龙骨内墙具有轻质高强、塑性好、韧性好、布置灵活的特点，并且可节约大量黏土资源，是一种节能环保墙体，其充分体现了绿色建筑的理念[1-4]。
随着我国大力推广建筑工业化，作为与钢结构建筑相配套的轻钢龙骨内墙体系的应用也越来越广阔。
然而，两者之间如何连接既能满足受力性能和物理性能的要求，又能体现预制装配式的特点是推进建筑工业化，特别是钢结构绿色建筑的重要方面。
故此，本文设计了一种轻钢龙骨内墙与主体钢结构框架梁及地面连接的新型连接方式，并利用有限元软件ABAQUS建立了新型连接下轻钢龙骨内墙的有限元分析模型，研究其在均布荷载和层间位移作用下的受力性能和变形性能，为工程实践提供理论依据。
1 新型连接形式1.1 连接设计要求内墙板与钢框架主体连接主要有柔性连接和刚性连接两类。
一般用于非地震区各类隔墙与主体结构的连接可采用常规的天地龙骨连接构造；用于抗震设防烈度8度和8度以下地区的内隔墙与主体连接应设计成柔性连接，在连接处可增设柔性材料或采用滑动连接。
在进行内墙板与主体连接设计时，应要求连接有足够的强度和变形空间、耐腐蚀、隔声、制作简单、安装方便，同时也要考虑经济性。
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B A
图 3 桁架梁弦杆和 V 型件的连接
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2.3 支座及加载方式
无比钢桁架梁受均布竖向荷载作用，在应用 ABAQUS 建模时可直接在梁上弦杆表面加 均布向下压力即可。对于桁架梁的支座，实际工程中的一般做法为：上弦杆直接与楼板相连， 其平面外的变形受到约束；上弦杆两端 150mm 或 240mm（分别用于墙体两种墙厚）段压于 上、下层墙体之间；桁架梁下弦两端通过短角钢直接与墙中片柱相连，或可以不 连。因此，在采用有限元方法模拟桁架梁支座时，梁的上弦顶面平面外的位移被限制，其两 端压于墙中的部分下表面完全固定。而桁架梁下弦杆两端则为自由状态，可不设置支承。图 4 则为桁架梁的有限元分析模型。
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编号
L2 L7 L9 L12
跨度 （ mm
）
5993
5996
3563
5453
梁高 （m m）
155
240
256
357
表 1 桁架梁试件各加载点极限荷载试验与有限元分析结果
上 弦 (mm)
截面名 义 尺寸
下 弦 (mm) V 型 连 接 件 加
截面名 义尺寸
1本课题得到建设部研究开发项目（编号 06-K3-22）、湖北省建设厅科技项目（编号 K200505）及加拿大英 特兰公司（研究成果于 2005 年 1 月通过了由建设部科技发展促进中心组织的成果评估会）的资助。
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图 2 桁架梁与墙体连接工程照片
本文采用有限元软件包 ABAQUS6.4 建立无比钢桁架梁的分析模型，通过与试验结果的 对比验证了建模方法的可靠性，并分析了引起有限元分析误差的主要原因。
载
型
间距 方
号 (mm) 式
40×40×1 . 5
两
40×40×1 . 5
小
600 点
40×40×1 . 5
两
40×40×1 . 5
中
700
点
40×60×1.5
四
40×40×1 . 5
中
700 点
40×80×1. 5
五
40×60×1.5
大
900 点
有限 元分 析值
试验结 理 论值 果（kN） / 试 验 值
本文探讨无比钢桁架梁在竖向荷载作用下的结构计算方法。 无比轻钢龙骨体系桁架梁由冷弯薄壁方(矩)形管（Tubes）和三角形的 V 型连接件（Clips） 通过自攻螺丝连接而成（图 1）。
V形连接件
上弦管
下弦管
自-攻螺丝
图 1 无比钢桁架梁示意图
上下弦杆截面尺寸有 40×40mm、40×60mm 和 40×80mm 三种，厚度 1.5mm 左右；V 型 连接件分大、中、小三种型号，C 型截面，厚度 1.2mm 左右。根据不同的弦杆断面和连接 件型号，梁高大致有 150mm、240mm、260mm、350mm 等几种。桁架梁上弦方(矩)型管直 接置于墙顶，并通过短角钢和自攻螺丝连于墙体上端的 C 型导轨上；下弦方（矩）型管则 借助另一短角钢和自攻螺丝与桁架片柱弦杆相连，并一般不考虑其承载能力[6]-[8]。图 2 为实 际工程中梁与墙体的连接情况，图中梁下弦方(矩)型管与片柱尚未连接。
新型轻钢龙骨体系桁架梁有限元分析1
刘锋，袁巧云
武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉（430070）
E-mail：LF_WRR@
摘 要：无比钢结构是一种新型的轻钢龙骨体系，我国现有的结构设计软件尚无法对其进行 设计和计算，采用有限元方法是目前进行结构分析较好的选择。以 无 比 钢 桁架梁为研究 对象，介绍了桁架梁的组成及做法，采 用 软件包ABAQUS6.4建立了梁的有限元模型，对四 个典型的试验梁进行了分析，得到了梁的荷载位移关系曲线、极限承载力及破坏模态，并与 试验结果进行了对比，初步验证了桁架梁有限元建模方法的可行性，找出了理论分析结果与 试验数据存在一定误差的原因。 关键词：无比轻钢龙骨体系；桁架梁；有限元模型；试验；验证 中图分类号：TU3
2 桁架梁有限元模型的建立
2.1 单元及材料
无比钢桁架梁上、下弦方型（或矩型）管和 V 型连接件厚度一般在 1.0～1.5mm 之间， 最小宽度为 20mm，在有限元建模时均采用 ABAQUS 单元库中较常见的 S4R 三维壳单元模 拟，厚度根据具体情况输入，网格最大尺寸 20mm。由于无比钢桁架梁中的弦杆和连接件均 为钢材做成，因而可简单用两段线模拟材料弹塑性应力应变关系。其中第一段斜线为弹性阶 段，第二段水平线则反映的是全塑性阶段，相关的数据可根据具体选用的材料输入[6]。
1 引言
无比轻钢龙骨体系（WEB Light-Gauge Steel Joist Structure）简称无比钢（WEB Steel）， 具 有 很 多 优 点 ，近年来已从加拿大等引进到中国，在青岛、安徽、北京等地成功用于低 层住宅和办公楼[1] [2]，目前正尝试在多层住宅和办公楼中推广。无比钢的上部结构由楼 板 、 桁 架 梁 和 墙 体 三 部 分 构 成 ， 其 结 构 验算主要包括 3 个方面：桁架梁的竖向刚度和 承载力验算；水平及竖向荷载作用下墙的水平刚度和承载力验算；整体结构在竖向及水平荷 载作用下的刚度验算等。文献[3]—[7]对无比钢结构体系进行了一系列的试验研究和分析。 文献[8]提出了整体结构的有限元建模方法，并以五层教学楼为例，分析了结构在风载和地 震荷载作用下的水平位移，且与规范要求的最大值进行了比较。
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3）。所以，V型连接件端部不可能发生失稳。有限元分析的桁架梁的破坏模态为平面外的整 体失稳。实际工程中，可通过增加桁架梁两端V型连接件的数量避免其局部失稳的发生。
4 结论
无比钢结构是一种独特的轻钢龙骨体系，由楼 板 、 桁 架 梁 和 墙 体 三 部 分 构 成 。 由 于 构 件 的 特 殊 性 和 复 杂 性 ， 采用现有的规范和常用的结构计算程序无法对无比钢 结构进行设计和计算，有限元方法是目前较好的选择。
1、对于四片桁架梁加载点荷载与跨中竖向位移之间关系曲线，有限元分析结果与试验 数据大致符合，对于同一片桁架梁，试验荷载位移曲线斜率一般比理论分析结果低，说明模 型梁的抗弯刚度偏大。主要原因为：试件梁是由冷弯方（矩）形管和V形件通过自攻螺丝连 接而成的，三者之间有较大的缝隙，从而增加了梁的挠度，这是理论方法难以完全模拟的。 另外，当桁架梁接近破坏时，为保护仪器，提前把百分表拆除，因而图6中试验荷载与跨中 所测竖向位移的关系曲线是不完整的，缺少接近破坏的那一段。
另外，桁架梁上各点的悬挂荷载是通过连于上弦的横杆施加给两桁架梁的，每一横杆对 每片桁架梁实际上是一个侧向支撑点，加载点越多，梁受压上弦的侧向支撑点越多，梁的稳 定承载力越高，而这种提高作用在有限元分析中是没有考虑。对于两点加载，加载点接近于 梁两端，其加载横杆侧向支撑的作用并不明显；但对于多点加载，这种提高作用十分明显， 从而抵消了因侧向支撑钢管不牢而造成的极限承载力的降低。
本 文 以 无 比 钢 桁架梁为研究对象，利用有限元软件包 ABAQUS6.4 建立了梁的分析 模型，通过与试验结果的对比初步验证了桁架梁建模方法的可行性，找出了理论分析结果与 试验数据存在一定误差的原因。
（kN）
2.72 2.12 1.28
4.00 2.97 1.35
3.23 3.34 0.97
2.56 2.84 0.90
各加载点荷载（kN）
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
L2(试验) L2(有限元) L7(试验) L7(有限元) L9(试验) L9(有限元) L12(试验) L12(有限元)
2.2 弦管和V型件的连接方式
如前所述，桁架梁的方型管（或矩型管）和 V 型件之间一般采用 2-3 颗自攻螺丝连接。 针对这一特点，在有限元建模时，仅把 V 型连接件端部的两个转角点（图 3 中的 A、B 两 点）分别与方型管（或矩型管）的边缘线用 ABAQUS 中的“Tie”命令相连，这样做一方面基 本模拟了实际情况，使计算结果达到精度要求，另一方面可简化建模方法，节约有限元运算 时间。
图 4 桁架梁有限元模型（局部）
2.4 求解方法
本文直接采用 ABAQUS6.4 中的 Riks，General 模块，在考虑同时考虑材料和几何非线 性的前提下，计算桁架梁在竖向荷载作用下的极限承载力，并找出下弦杆跨中位移与外载之 间的关系曲线，以了解桁架梁的刚度变化规律，且便于与试验结果进行比较。
试 验 结 果 表 明 ：无比钢桁架梁在竖向荷载作用下的极限承载力和抗弯刚度均较小。 桁架梁的破坏一般经历局部破坏和整体失稳两个阶段。前者包括V型连接件局部屈曲和自攻 螺丝被剪坏两种情况，可分别通过增加V型连接件的数量或自攻螺丝的直径或数量加以避 免。
3.2 试件的有限元分析
为验证有限元建模方法的正确性和可靠性，在12片无比钢桁架梁试件中选择具有代表意 义的两点、四点及五点加载的L2、L7、L9及L12，完全按试验条件及尺寸对其进行了有限元 分析，并与试验结果进行了比较。
3、 对于桁架梁的承载力试验，其破坏包括局部发生破坏和整体失稳两个过程[6] [7]。而 局部破坏发生在
剪力较大的梁端部，其模式一般是靠近弦杆的、没有翼缘仅有腹板的V型连接件端部发生屈 曲。屈曲发生后，有翼缘的部分马上与管状弦杆发生接触，桁架梁可以继续承担外载，直到 梁发生突然的整体失稳。
而在桁架梁的有限元模型中，为简化计算，V型连接件的端部与实际情况有一定差别（图