《大型钢结构工业厂房的力学分析与模拟.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大型钢结构工业厂房的力学分析与模拟.doc（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大型钢结构工业厂房的力学分析与模拟中国矿业大学本科学位论文学生姓名：周盛林学 号：02100820指导教师：沈晓明专 业：工程力学学科门类：工学中国矿业大学力建学院工程力学系二零一四年七月摘要近三十多年来，随着国民经济和基础设施建设的飞速发展，钢结构在我国发展迅速，大量应用于工业和民用建筑之中。尤其在工业厂房中，钢结构使用最为普遍，因此钢结构的安全性能非常重要。然而近年来，在风雪和自身承重、地震等作用下，国内外发生了许多大跨度钢结构倒塌、破坏事故，造成了大量的经济损失和人员伤亡。基于以上现实情况，对与钢结构建筑的力学分析就显得尤为重要。本文在基本假设基础之上，主要做了以下几点研究：研究了钢结构
2、工业厂房在自身承重之下的静力学分析，并应用有限元软件进行数值模拟，分析了钢结构厂房的受力情况。研究了钢结构工业厂房在不同风载荷和雪载荷情况下的受力特征，同时进行有限元数值模拟，指出钢结构厂房的的易破坏点，为钢结构工业厂房的设计与施工提供指导。关键词：钢结构，有限元，风荷载，雪荷载，数值模拟ABSTRACTThis article has Keywords: steel truss,1绪论1.1引言以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程
3、力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。钢结构今后应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，例如H型钢（又称宽翼缘型钢）和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。我国虽然早期在铁结构方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束缚，科学不发达，因此，长期停留于铁制建筑物的水平。直到19世纪末，我国才开始采用现代化钢结构。新中国成立后，钢结构的应用有了很大的发展，不论在数量上或质量上都远远超过了过去。在设计、制造和安装等技术方面都达到了较高的水平，掌握了各种复杂建筑
4、物的设计和施工技术，在全国各地已经建造了许多规模巨大而且结构复杂的钢结构厂房、大跨度钢结构民用建筑及铁路桥梁等，我国的人民大会堂钢屋架，北京和上海等地的体育馆的钢网架，陕西秦始皇兵马佣陈列馆的三铰钢拱架和北京的鸟巢等。近三十年来，随着国民经济和基础设施建设的飞速发展，钢结构在我国发展迅速，大量应用于工业和民用建筑之中，很多地方建造了宏伟而富有特色的大型钢结构建筑，并成为当地城市或者地方的象征性或标志性建筑。现在钢结构规模越来越大，形态也越来越新异，体系越来越复杂，且采用了许多新材料和技术，为钢结构分析与设计理论的发展提供了机遇，但同时提出了挑战。1.2 论文的研究背景、内容和意义1.21研究背
5、景随着经济的快速发展，工业厂房对结构的的受力强度的要求越来越高，大型钢结构具有高柔、高支、大跨、重荷的特点,钢结构凭着自身卓越的优点，在建筑中越来越普遍。然而，在钢结构广泛应用的同时，钢结构工程事故时有发生，有些并且造成了巨大的生命财产损失，且产生了严重的社会影响。钢结构厂房破坏事故调查研究表明，导致钢结构失效破坏事故的原因多数不是刚才质量的问题，而是由于设计或者施工不得当造成的，多数破坏现象为钢结构局部构件失稳或者破坏导致整体坍塌。特别是随着高强优质钢材的广泛应用，结构构件变得更加细而薄，结构整体上变柔，且钢结构静力、动力力学行为非常复杂。一方面，在静力作用下结构本身会产生一定的变形；另一方
6、面，现实中还存在其他不确定的动力荷载对结构产生巨大影响,使得大型钢结构厂房的稳定性问题变得尤为突出，成为这类钢结构破坏的主要原因。1.21研究内容针对目前钢结构建筑设计之中存在的不足之处，在导师的指导下，结合工程实际背景，以山西福山建筑装饰材料有限公司的钢结构厂房为例，有针对性的分析钢结构厂房的受力分布。本文主要研究以下内容：研究了钢结构工业厂房在自身承重之下的静力学分析，并应用有限元软件进行数值模拟，分析了钢结构厂房的受力情况。研究了钢结构工业厂房在不同风载荷和雪载荷情况下的力学特性及其响应，同时进行有限元数值模拟，指出钢结构厂房的的易破坏点，为钢结构工业厂房的设计与施工提供指导，为指导工业
7、厂房的安全运行和工程管理提供科学依据。1.22研究意义我国大型钢结构厂房的发展稍晚于国外，而且又滞留了十多年的发展步伐，因此，国内大型钢结构厂房的结构稳定性还低于国外，我们应该积极的学习国外的先进技术，借助国外大型有限元技术软件进行数值模拟，以求得安全性能的提高。紧密结合国内实际情况，根据实际现场建设环境和材料性能，运用大型有限元软件ansys进行数值模拟。为推进我国大型钢结构厂房的安全性能的发展，节约不必要的材料，对钢结构工程具有重要的意义。本文以山西福山建筑装饰材料有限公司的钢结构厂房为例，详细分析该钢结构厂房的静力分布。同时，探讨该钢结构厂房在不同的雪载荷和风载荷作用下的力学分布，这些都
8、将有利于大型钢结构稳定安全性能的提高。2厂房结构的力学分析与有限元分析基础2.1钢结构厂房的材料钢的特性钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.11%之间的铁碳合金的统称。钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载； 但也有易腐蚀、耐火性差、耐腐蚀性差等缺点。2.1.1 各向同性各向同性也叫均质性，主要指其物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。钢结构工程使用钢型号为Q235
9、，为各向同性，因而木材在弦向、径向、纵向上所表现的各个物理力学性质都不尽相同，符合线弹性材料的基本假设。钢材从不同方向裁切展现相同的质理特征。如图2.1.1a所示为钢材中任意切取的一个立方体试样,其三个对称轴L、T、R近似垂直,且每两轴构成一平面分别为TR、LR、LT三个平面。可以认为这三个轴是互相垂直的弹性对称轴,从这个意义上说,钢材是正交各向同性材料。图2.1.1 Q235钢的弦向、径向和纵向L一纵向;RT一横切面R一径向;LR一径切面;T一弦向;LT一弦切面2.1.2钢的力学特性1. 屈服强度钢材单向拉伸应力应变曲线中屈服平台对应的强度称为屈服强度，也称屈服点，是建筑钢材的一个重要力学特
10、征。屈服点是弹性变形的终点，而且在较大变形范围内应力不会增加，形成理想的弹塑性模型。低碳钢和低合金钢都具有明显的屈服平台，而热处理钢材和高碳钢则没有。2. 抗拉强度单向拉伸应力应变曲线中最高点所对应的强度，称为抗拉强度，它是钢材所能承受的最大应力值。由于钢材屈服后具有较大的残余变形，已超出结构正常使用范畴，因此抗拉强度只能作为结构的安全储备。3. 伸长率伸长率是试件断裂时的永久变形与原标定长度的百分比。伸长率代表钢材断裂前具有的塑性变形能力，这种能力使得结构制造时，钢材即使经受剪切、冲压、弯曲及捶击作用产生局部屈服而无明显破坏。伸长率越大，钢材的塑性和延性越好。屈服强度、抗拉强度、伸长率是钢材
11、的三个重要力学性能指标。钢结构中所有钢材都应满足规范对这三个指标的规定。4. 冷弯性能根据试样厚度，在常温条件下按照规定的弯心直径将试样弯曲180，其表面无裂纹和分层即为冷弯合格。冷弯性能是一项综合指标，冷弯合格一方面表示钢材的塑性变形能力符合要求，另一方面也表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂等)符合要求。重要结构中需要钢材有良好的冷、热加工工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。5. 冲击韧性冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用钢材断裂时所吸收的总能量来衡量。单向拉伸试验所表现的钢材性能都是静力性能，韧性则是动力性能。韧性是钢材强度、塑性的综合指标，韧性越低则发生脆性破坏的可能性越大。韧性
12、值受温度影响很大，当温度低于某一值时将急剧下降，因此应根据相应温度提出要求。6. 弯曲性质弯曲强度介于受拉和受压之间,且木材顺纹受压强度、受弯强度、受拉强度依次增大,并一般符合下列关系:式中氏、气、气分别为木材标准小试件的受拉、受压、受弯强度。从传统的材料力学来分析,钢材受到弯曲作用时,与其他材料的情况相类似:材料上方为受拉区,下方为受压区(如图2.1.2（a）)。理论及试验研究证明:抗弯的强度极限与截面形状有关,当截面的抵抗弯矩相同时,圆形截面的强度矩形截面工字形截面。图2.1.2（a） 弯曲梁横截面应力图7. 基本力学方程 我们已知钢材是各向同性材料，将材料三方向坐标化，分别为x、y、z方
13、向，正交轴则可与几何坐标一致。从材料中任取一点，各个方向的力学性能一致，建立坐标系与图形如下2.1.2（b）： 2.1.2（b）假定物体在任一点P所受的应力分量分别为为已知，可求出p点处任意一斜面上的应力。在p点附近做一个平面ABC，平行于这一斜面，并与经过p点而平行于坐标面的三个平面形成一个微小的四面体PABC，如上图2.1.2（b）。若平面ABC无限趋近于P点时，平面ABC上的应力就成为该斜面上的应力。令平面ABC的外法线为N，其余方向余弦为：假设为三角形ABC的面积，那么l，m，n分别为三角形BPC、CPA、APB。用 表示四面体PABC的体积。分别用代表三角形ABC上的全应力p在坐标轴
14、方向的分量。根据平衡条件可得：同时除以可得： 当斜面趋近于p点时，由于是比更高一阶的微量，所以趋于零。因此可得出下面第一式，同时根据 同样可得出第二、第三式。设三角形ABC上的正应力为，则由投影可得：代入，用代替，可得： 假设三角形ABC上的全应力为p而切应力为，则由于：而有：由上面两公式可见，在物体的任意一点，如果六个应力分量已知，那么任一斜面上的正应力和切应力都可以求得。也就是说，这六个应力分量完全确立了一点的应力状态。在特殊的情况下，如果ABC是物体的边界面，则成为分量，于是由以上公式得出：这就是弹性体的应力边界条件，表明了应力分量的边界值与面力分量之间的关系。8. 弹性常数钢材的弹性特
15、征通常用工程弹性常数来表示。包括:弹性模量,泊松比,剪切弹性模量。2.2钢结构厂的组成和力学分析2.3有限单元法的基本理论2.3.1有限单元法的基本思想有限单元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体,简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接,称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于:组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件,即不能出现裂缝,也不允许发生重叠。显然,单元之间只能通过结点来传递内力,这种通过结点来传递的内力称为结点力。作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时,组成它的各个单元也将发生变形,因而各个结点要产生不同程度的位移,这种位移称为结点位移。在有限元分析中,常以结点位移作为基本未知量,并对每个单元根据分块近似的思想,假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律,再利用力学理论中的变分原理或其他方法,建立结点力与位移之间的力学特性关系,得到一组以结点位移为未知量的代数方程,从而求解结点的位移分量。然后利
