非均匀雪荷载下轻钢结构的安全性研究

1 绪论1.1 研究背景近些年，由于气候的自然变化和全球变暖，强降水、暴风、干旱、暴雪灾害等极端天气事件在我国时有发生，过去需要几十年上百年出现的严重自然灾害，现在几乎每年都会出现，这种天气的异常变化不但给人民的生产、生活以及社会经济带来了严重的不利影响，更是对建筑的安全性提出了严峻的考验。随着我国的经济发展的需要，大量的制造业基地在我国如雨后春笋般的建立起来，轻钢结构的厂房更是在这样的快速发展的社会经济中得到了大量的运用，鉴于轻钢结构具有重量轻、节省材料、施工周期短，工程造价低，绿色环保节能等优点，几乎取代了其他结构形式的厂房。 但是，由于我国《建筑结构荷载规范》中对雪荷载屋面分布系数考虑因素较少，并且随着设计电算化的发展以及市场的大量需求，越来越多的设计、施工企业参与竞争，使得这类建筑在设计、施工时自身存在很多的缺陷和不足，从而危及结构的安全，这点在近些年的雪灾中表现的尤为明显，给社会生命财产造成了重大的损失。虽然通常轻钢结构的破坏是由于偶然过大的雪荷载造成的，但是随着这种偶然事件频率的增多，我们应该总结经验教训将这种暴雪灾害造成的危害降到最低，因此研究轻钢结构在雪荷载下的安全可靠性还是十分有必要的。........1.2 轻钢结构介绍钢结构是当前社会十分流行的一种结构形式，我国也是最早采用的铁制构件作为承重结构的国家之一，远在秦朝时期就有用铁作为承重构件的记录。到了近代也常被用做结构的受力构件使用，如著名的大渡河铁索桥、云南的元江桥等，但是由于我国腐朽的封建制度的束缚，我国近几百年在科学技术方面渐渐的被西方赶上，到了近现代更是远远落后于西方，我国一直到 19 世纪的末期开始发展使用现代的钢结构，新中国成立之后开始了大规模的应用，各种复杂高质量的钢结构建筑才得以大量的发展。钢结构建筑的多少，标志着一个国家或一个地区的经济实力和经济发达程度。进入 2000 年以后，我国国民经济显著增长，国力明显增强，钢产量成为世界大国，在建筑中提出了要积极、合理地用钢;，从此甩掉了限制用钢;的束缚，钢结构建筑在经济发达地区逐渐增多。特别是 2008 年前后，在奥运会的推动下，出现了钢结构建筑热潮，强劲的市场需求，推动钢结构建筑迅猛发展。现在众多的钢结构被广泛的应用在了工农业、商业、体育馆、住宅等建筑上。 轻钢结构是一种十分年轻且富有生命力的建筑结构形式，在当今新建的建筑中广泛流行。轻钢结构在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中的定义为主要的维护构件由轻型屋盖和轻型外墙的单层实腹式门式刚架结构。另外，在其他的一些文献中，规定了划分为轻钢结构的参考值，如钢结构每平米的造价、建筑的外尺寸、构件的重量等。总结起来，目前绝大多数参考资料中，轻钢结构是指以轻型焊接或者高频焊接型钢、轻型冷弯薄壁型钢、薄壁钢管、薄钢板、轻型热轧型钢以及前面所提各构件拼接、焊接而成的组合构件等为主要的受力构件，并且大量采用轻质维护隔离材料的单层或者多层钢结构[7]。 当代的轻钢结构诞生于二十世纪初期，后来由于在战争中对机库以及军营快速建设的需要，使其在二战时期得到了快速的发展，二战后又出现的门式刚架结构，以及六十年代的轻质维护结构使其大量的在建筑中得到运用。轻钢结构在西方国家发展较早，其在设计理念及施工工艺方面一直处于领先的地位，其构件标准化及工厂化的程度也达到了很高的水平，目前在国外新建建筑中占据了很大的比重。相比之下，我们国家起步较晚，一直到 1980 年以后才在我国家大规模的应用，而后大量的科研院所及施工企业都投入到了轻钢结构的研发中去，与其相配套的各种生产及施工水平也随着技术的发展而日渐成熟稳重。随着改革开放程度的加深，在九十年代许多国外的厂家也认识到了我国钢结构市场的重要性，越来越多的技术和生产线在我国得到运用也相对的促进了我国轻钢结构发展。通过学习引进国外型钢生产线再加上自主研发轻型门式刚架结构的生产设备，在国内正在迅速崛起一批有实力的轻钢结构生产厂家[8]。.........2 有限元软件的介绍2.1 有限元软件 ABAQUS 简介ABAQUS 是一款功能强大的有限元模拟分析软件，由于其在土木工程、机械工程、冶金工程、水利工程等诸多方面的通用性，因此被各国的科研以及工程人员广泛采用。尤其是在非线性分析的领域，它能将结构、流体、声学、热传学、电学、以及，热电耦合、声固耦合等诸多方面融合到一体，可以处理复杂的结构力学及固体力学系统，特别是在十分大的复杂问题和模拟高度的非线性问题上它都能轻松应对。它不但能完成单一的构件分析，而且还可以完成系统级别的整体分析和研究，能够分析极其庞大的复杂模型而且其分析结果十分精确。 ABAQUS 拥有十分庞大的单元库，可模拟各种较为复杂的几何形状。且还拥有庞大的材料模型库，用户可以根据需要进行选择包括混凝土、金属、聚合材料、橡胶等各种材料模型。种类繁多的各种单元以及丰富多彩的材料模型使其能满足各类工程的各种需要。另外 ABAQUS 软件还会根据使用中的不足，不断更新改进软件，保证其与时俱进。在使用上，ABAQUS 的操作界面简捷明了、分组明确、便于操作和快速掌握[24]。

........2.2 ABAQUS 的组成及功能简介ABAQUS 主要的分析模块由三部分组成：ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit以及 ABAQUS/CAE。它的集成工作是一个复杂的系统，主要包括了模型的建立、交互式作业的提交、对计算的过程进行监控以及对得出的计算结果进行处理评估等。 ABAQUS 产品是一款使用简易、方便的模拟软件，在高科技产品的研发过程中发挥了巨大的作用，下面图 2.1 为该产品集成处理的简要框架。 以此框架为基础，本小节将简要介绍 ABAQUS 的三个常用的分析模块。ABAQUS/Standard 模块属于一种通用的分析模块，其求解领域广泛，可以在线性和非线性求解时用于应对各种问题的处理，亦是我们在处理工程问题中经常会用到的一个模块。 在应对大规模的计算问题时，ABAQUS 提供了并行的稀疏矩阵求解器，其可以进行一般过程分析和线性摄动过程分析。由于它对每一个版本都进行了反复的测试，保证了软件在工作过程中的稳定性和质量。 现有的前后处理器与 ABAQUS/Standard 强大的分析能力结合，具有特有的解决问题的优势，在某种情况下用户往往只能选择这款软件作为问题处理的首选，通过ABAQUS，用户可以把有限元的求解来进行集成求解，并且我们可以借助 ABAQUS 强大的功能在原有的工作流程基础上对其进行改进。...........3 工程实例及模型参数的确定 ...... 223.1 工程概况 ...... 223.2 工程设计软件介绍 ............ 253.3 PPM 及理论设计 .......... 253.4 工程模拟模型基本参数的确定 ......... 383.5 本章小结 ...... 394 有限元软件模拟及数据分析 ....... 404.1 非均匀雪荷载值的确定 .... 404.1.1 对比中、美、欧、加规范中雪荷载取值方法及区别 ......... 404.1.2 本案例中非均匀雪荷载的取值 ...... 414.2 有限元模型及模拟方案 ......... 434.3 非均匀雪荷载对门式刚架厂房的安全性影响 ......... 444.4 非均匀雪荷载下安全隐患的解决方案 ........... 575.1 结论 ............ 645.2 展望 .......... 644 有限元软件模拟及数据分析4.1 非均匀雪荷载值的确定建筑结构荷载是由永久、可变和偶然三部分荷载组成的。虽然雪荷载只是可变荷载中的一部分，但雪荷载在结构使用期间，其值随时间变化，而且其变化与平均值相比是不可以忽略不计的荷载。 在对建筑雪荷载进行统计时需要考虑的因素十分多，包括房屋和屋顶的几何形状、朝向、采暖情况，风速、周围环境以及地形、地势等的影响，在我国通常会把这些因素简化成为一个系数rμ （屋面积雪分布系数）。国外在考虑这些因素对于其雪荷载影响方面做得研究相比较于国内要更加细致些，这点从其不同规范中的雪荷载计算公式就可以看出。各国的雪荷载计算思路是一致的，其取值都是在基本雪压的基础上再乘以一些相关的系数，但是细心比较后又可以发现其中有许多的不同之处，我国的规范公式中考虑的影响因素最少，仅考虑了屋面形状和坡度的影响，另外还有诸如周围环境、屋内热传导、结构重要性尚没有考虑到，说明我国规范的雪荷载统计及计算方面相比其他规范还是不够成熟稳重的。所以通过其他荷载来对我国的建筑进行检验是十分有必要的。..........结论轻型钢结构在雪灾中暴露出的脆弱性，使得轻钢结构在雪荷载下的受力及变形成为一个重要的研究方向。轻型门式刚架又为目前最为普遍使用的轻钢结构，因而本文选取轻型门式刚架作为研究对象具有其现实意义。本文通过理论计算确立了有限元分析的基本模型，在此基础上建立了屋面坡度不同的 7 组结构模型，对其分别施加了中国规范下的均匀荷载和中、美、欧、加规范下的非均匀荷载。通过对模拟的应力、应变数据分析整理，找出钢结构在非均匀雪荷载下其刚架柱、钢架梁、屋面檩条、屋面板的受力及变形规律。通过整理分析，本文的主要结论如下：（1）在我国的荷载规范下，与均匀雪荷载所受内力相比，在非均匀雪荷载下会使柱子的底端和顶端的内力减小，产生有利的影响，同样在美、欧、加规范下柱子底端所受应力也有同样的趋势，但是在柱子顶端由于美、欧、加的屋面积雪捕捉率较高，在屋面坡度小于 15°时其柱顶端所受应力会高于我国规范下所得值，并且呈现出随着屋面坡度的降低，内力快速升高的趋势。与均匀雪荷载所受应变相比，非均匀雪荷载会使刚架柱的侧向位移减小，从而有力于抵抗风荷载等因素造成的侧向位移。（2）在我国的荷载规范下，与均匀雪荷载所受内力相比，钢架梁的两端在非均匀雪荷载下内力值会高于均匀雪荷载下所得到的内力，而钢架梁的跨中则要低于均匀雪荷载下得到的内力，并且其变化都呈现了在屋面坡度 0~15°时内力快速下降，15°~30°渐趋平缓。与均匀雪荷载所受应变相比，非均匀雪荷载会使钢架梁的跨中位移增大，而且跨中位移的差值会随着屋面坡度的增加而增加。（3）在我国的荷载规范下，与均匀雪荷载所受内力相比，当屋面坡度小于 20°时，非均匀雪荷载产生的内力会更高，但是其值远未达到其控制应力。与均匀雪荷载所受应变相比，非均匀雪荷载会使檩条以及屋面板的位移增加，且在屋面坡度 20°以上时尤为明显，且屋面及檩条位移最大值的位置，会随着屋面坡度的增加向屋面一侧的两边转移。（4）本文提出的两套避险方案各有优劣，虽然都能达到减少结构内力及变形的目的，但是相比于构件强化方案，采用分灾耗能结构能更加节省工程材料，达到良好的经济性，鉴于我国推广绿色节能环保建筑的要求，提议尽量采用使用分灾耗能构件的方案。 .........参考文献(略)