裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是指將房屋的構(gòu)件、部品在工廠加工、制作完成后，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝的預(yù)制裝配式建筑。裝配式住宅具有制造周期短、抗震性能優(yōu)越、建筑空間布置靈活、有效使用面積大、綜合經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)裝

  有資料顯示，到2030年全球城鎮(zhèn)化率將會(huì)超過30%，屆時(shí)，住房及其配套的基礎(chǔ)設(shè)施需求都將成為全球城市建設(shè)的主要挑戰(zhàn)之一。為滿足城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速的要求，住宅產(chǎn)業(yè)化是一條切實(shí)可行的道路。2016年，全國共生產(chǎn)粗鋼8.23億噸，我國粗鋼產(chǎn)量已占世界鋼產(chǎn)量的50.26%。在經(jīng)濟(jì)減速、增長結(jié)構(gòu)變化，主要用鋼行業(yè)需求放緩的情況下，鋼產(chǎn)量居高不下，抑制了鋼材價(jià)格。在鋼材產(chǎn)量上升、價(jià)格下降，國家倡導(dǎo)建設(shè)新型城鎮(zhèn)化的背景下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅必將得到迅速發(fā)展。

  一、有限元模型

  第一，幾何模型。為了對(duì)比不同跨度下、不同弦桿尺寸下鋼桁架梁的受力性能，我們分別建立3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米5種跨度下的鋼桁架梁，鋼桁架梁均采用Q235鋼材，有限元模型采用solid187實(shí)體單元。

  第二，材料本構(gòu)模型。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用三折線模型來模擬，它可以模擬多線性隨動(dòng)強(qiáng)化效應(yīng)，考慮包辛格效應(yīng)，模型分析采用Mises屈服準(zhǔn)則及相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則。

  第三，網(wǎng)格劃分。本鋼桁架梁模型的主體部分桿件多、形狀不規(guī)則，采用solid187四面實(shí)體單元，它是高階3維10節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，在二次位移模式下可以更好地模擬不規(guī)則桁架梁。選擇合理網(wǎng)格密度進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分;為防止過渡部分單元畸形，彈性墊塊同樣選用自由網(wǎng)格，劃分為四面體單元，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率和精度的平衡。

  第四，邊界條件。桁架梁兩端柱座底下分別添加剛性墊塊，為了模擬梁兩端柱座底下的鉸接支座，對(duì)剛性墊塊進(jìn)行鉸接線約束，對(duì)墊塊底部面中軸線上所有節(jié)點(diǎn)的x、y、z 方向平動(dòng)自由度進(jìn)行約束。

  第五，加載制度。對(duì)桁架梁進(jìn)行非線性靜力分析，求解采用力收斂準(zhǔn)則，應(yīng)用Newton-Raphson平衡迭代法激活弧長法進(jìn)行非線性求解，打開自動(dòng)時(shí)間步長控制及線性搜索利用建立的有限元模型，對(duì)桁架梁施加均布面荷載，整個(gè)加載分施加重力荷載、在桁架梁上弦上表面施加均布面荷載兩個(gè)荷載步。

  二、有限無計(jì)算結(jié)果分析

  運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS建立跨度3300毫米、3600毫米、3900毫米、4060毫米、4200毫米的精細(xì)非線性有限元模型。該模型采用靜態(tài)分析，在求解過程中，考慮模型的幾何非線性、材料非線性以及應(yīng)力剛化效應(yīng)，求解類型選擇“大變形靜力”，迭代方式按照默認(rèn)選項(xiàng)，輸出計(jì)算的所有的荷載步和子步的結(jié)果。

  第一，應(yīng)力分布。通過有限元非線性分析,對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)桁架梁在豎向荷載下的極限承載能力、變形特性和破壞形態(tài)進(jìn)行探究，從而找到桁架梁的受力薄弱區(qū)域，對(duì)應(yīng)力分布和發(fā)展規(guī)律做進(jìn)一步研究，從本質(zhì)上獲得鋼桁架梁的工作性能和破壞機(jī)理。

  試驗(yàn)結(jié)果顯示，5種跨度的桁架梁在極限荷載作用下的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，同種跨度下不同弦桿尺寸的桁架梁在極限荷載作用下的應(yīng)力分布規(guī)律也基本一致。弦桿應(yīng)力大于腹桿，弦桿受壓承受彎矩，腹桿受剪力，所有桁架梁滿足規(guī)范“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)要求。

  第二，變形情況。由于鋼桁架梁位移主要體現(xiàn)在豎向撓度上，因此得到極限荷載作用下的z向位移云圖。

  實(shí)驗(yàn)顯示，極限豎向荷載作用下， z向位移最大值位于梁跨中弦桿處。跨度越大、弦桿尺寸越小，跨中位移越大，但總體的變形分布規(guī)律一致。考慮到z向位移在整體變形中起控制作用，故提取5種跨度梁的z向位移最大點(diǎn)的z向位移及對(duì)應(yīng)的豎向荷載值，繪制各跨度桁架梁的荷載位移曲線。

  試驗(yàn)顯示，各個(gè)跨度下桁架梁模型z向荷載位移曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致。豎向荷載較小時(shí)，荷載—位移曲線成線性分布，結(jié)構(gòu)處于彈性階段;隨著荷載逐漸加大，桁架梁跨中上弦桿先達(dá)到屈服;繼續(xù)加大豎向荷載作用，桁架梁跨中弦桿處屈曲變形急速增長，表現(xiàn)出塑性特征。

  通過試驗(yàn)可以看出，增加弦桿尺寸可以有效地增大桁架梁的承載力，但也不是無限的增加。幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右，使得構(gòu)件從屈服到破壞有一定的安全空間，可保證構(gòu)件安全有效。

  三、結(jié)論

  通過對(duì)鋼桁架梁進(jìn)行靜力非線性分析，對(duì)比跨度及桿件尺寸對(duì)桁架梁受力性能的影響，研究桁架梁在荷載作用下的應(yīng)力分布和變形情況，得到以下結(jié)論：

  第一，通過對(duì)比分析可知，鋼桁架梁隨著跨度增大，極限承載力逐漸減小，但各個(gè)跨度下桁架梁在極限荷載作用下的應(yīng)力分布及變形規(guī)律基本一致。

  第二，適當(dāng)增大弦桿尺寸，在保證結(jié)構(gòu)合理破壞模式前提下，能有效地提高桁架梁的極限承載力。

  第三，鋼桁架梁破壞時(shí)塑性區(qū)主要在跨中弦桿處，而腹桿相對(duì)受力較小，跨中弦桿先于腹桿破壞，滿足“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)要求。

  第四，幾種桁架梁極限荷載為屈服荷載的1.3倍左右，說明構(gòu)件從屈服到破壞有一定的安全儲(chǔ)備空間，可保證構(gòu)件安全有效。