天窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計論文

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1結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算

1．1箱梁支座的強度優(yōu)化設(shè)計

箱梁節(jié)點是整個承重鋼梁最為關(guān)鍵的部位，在施工中采用不同形式的加勁肋對該部位進行了加固處理。嚴格按照要求的尺寸，對GWJ－4號承重結(jié)構(gòu)進行不同荷載狀態(tài)下的分析。利用有限元軟件ABAQUS對GWJ－4號鋼架各部分的實際三維模型進行數(shù)值計算。該有限元軟件研究實際模型在承重荷載及風荷載作用下的承載能力，著重對承重結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化的地方進行分析，從而提出可行的優(yōu)化設(shè)計方案。天窗閉合狀態(tài)時不同受力荷載條件下對天窗閉合狀態(tài)下的GWJ－4屋架的受力分析如下。

1．1．1GWJ－4屋架在承重下的受力天窗全關(guān)閉狀態(tài)下的GWJ－4屋架關(guān)鍵部位的受力分析。看出:在GWJ－4屋架的跨中位置附近，其應(yīng)力分布比較均勻，沒有大的應(yīng)力集中區(qū)，且最大Mises應(yīng)力均小于100MPa，在此應(yīng)力下支撐板是不會發(fā)生局部屈服的。最大Mises應(yīng)力小于Q235B鋼的單軸抗壓強度，故在此工況下，箱形梁跨中部位的荷載承載能力滿足要求。箱梁支座數(shù)值分析結(jié)果知，最大Mises應(yīng)力約為230MPa，主要是因為梯形加勁肋存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致該位置出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。一般來說，由塑性材料制成的構(gòu)件，應(yīng)力集中對其在靜荷載作用下的強度幾乎無影響，但是該結(jié)構(gòu)為滑動式玻璃天窗的承重結(jié)構(gòu)，需要各種交變荷載的作用，因此有必要對此支座進行優(yōu)化設(shè)計，減小其應(yīng)力集中系數(shù)。天窗全關(guān)閉狀態(tài)下的GWJ－4屋架關(guān)鍵部位的位移大小分布，由于在承重荷載的作用下，箱型梁在水平方向位移值小于1mm，因此僅列出了GWJ－4屋架箱梁在天窗全關(guān)閉狀態(tài)下的豎向位移分布圖。從結(jié)果可以看出:在此工況下，箱形梁產(chǎn)生的最大豎向位移約為5mm，位置在箱型梁的跨中部位，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范，其位移大小滿足要求。

1．1．2GWJ－4屋架在承重及風荷載下的受力在承重及風荷載的共同作用下，箱形梁跨中部分的應(yīng)力仍然很小，因此不再重復(fù)分析。在此工況下箱形梁支座的應(yīng)力狀況。在兩種荷載的共同作用下，支座個別單元的應(yīng)力已經(jīng)超過Q235鋼材的屈服強度(并不意味著破壞)，梯形加勁肋與豎向加勁肋的接觸部位存在很大的應(yīng)力集中，這對結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性是不利的，因此有必要采取措施來減輕應(yīng)力集中帶來的危險。GWJ－4屋架在承重荷載及風荷載下的豎向位移及水平位移。通過對比可知，風荷載對豎向位移影響很小，豎向位移的最大值約為4．7mm，最大位移在跨中部位，滿足工程設(shè)計的規(guī)范的要求，這說明該屋架的豎向剛度已經(jīng)滿足要求。風荷載主要影響箱形梁的水平位移，在此作用下，箱形梁產(chǎn)生了較大的水平位移，其最大值仍產(chǎn)生在箱型梁的跨中位置處，為4．3mm。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，此水平位移的大小是滿足工程設(shè)計要求的，因此無需另外增加水平方向剛度。

1．1．3箱梁支座的優(yōu)化設(shè)計由上面兩種荷載條件下應(yīng)力和位移的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，在天窗玻璃全關(guān)閉狀態(tài)下，強度和剛度都滿足要求，但其不足之處在于箱型梁支座存在較大的應(yīng)力集中，這導(dǎo)致支座支撐板出現(xiàn)了個別單元的屈服。根據(jù)疲勞理論，在交變荷載的作用下，應(yīng)力集中會降低結(jié)構(gòu)的強度和耐久性。因此，提出了以下可行的減小支座應(yīng)力集中的實施方案。針對梯形加勁肋應(yīng)力集中程度高的現(xiàn)象，建議在支座兩側(cè)再添加兩個相同尺寸的梯形加勁肋。對優(yōu)化后的支座，運用有限元對其在承重荷載及風荷載作用下進行應(yīng)力分析，如圖8所示?？梢缘贸?，經(jīng)過優(yōu)化后支座的最大應(yīng)力是187MPa，其應(yīng)力集中程度相比未優(yōu)化之前的支座已經(jīng)減小很多。這說明此優(yōu)化起到了良好的效果。

1．2連接板的優(yōu)化設(shè)計

滑動天窗從完全關(guān)閉至完全打開過程中時，數(shù)值模擬分析，在連接板與箱梁的接觸處存在較大的應(yīng)力集中，這導(dǎo)致了部分單元的應(yīng)力超過了Q235鋼的屈服強度，但是需要說明的是并不是超過屈服強度該連接板就要破壞，只是很小的一部分可能會發(fā)生屈服，這對韌性結(jié)構(gòu)整體的安全性影響較小。由于支架要處于不同活荷載的作用下，為了長久的安全性和穩(wěn)定性，連接板所受的最大應(yīng)力有必要處于鋼材的最大屈服強度之下，因此有必要對該處連接板進行優(yōu)化設(shè)計。針對以上分析知，連接板存在的最大問題是該處存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致了該處產(chǎn)生了較大的集中應(yīng)力，從而影響結(jié)構(gòu)的長期安全性和穩(wěn)定性。為了消除應(yīng)力集中，可以采取以下兩種措施:第一種是通過構(gòu)造措施減小應(yīng)力集中，例如連接鋼板需要倒角處理等;第二種措施是對此處連接板進行重新的設(shè)計，例如增加連接板的數(shù)量來減小每塊連接板所受的應(yīng)力、連接板采用強度更高的鋼材等等。此處我們對第二種優(yōu)化措施進行了數(shù)值模擬，驗證了其可行性。

2結(jié)論

經(jīng)過上述對箱梁支座和連接板的數(shù)值模擬，對鋼梁的主要支座、聯(lián)系桿件進行了分析，并對其進行了優(yōu)化。將優(yōu)化前后的應(yīng)力應(yīng)變分布情況對比分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的節(jié)點和支座可以有效避免一些較為顯著的應(yīng)力集中區(qū)域，從而使得屋蓋結(jié)構(gòu)的支座和連接更加合理和安全，為后續(xù)工程的設(shè)計和施工提供了較有參考價值的建議。

作者：周海洋 楊玉川 曾峰 單位：中鐵建設(shè)集團有限公司 四川大學水利水電學院