基于有限元方法的钢结构分析

（长江大学，湖北 荆州 434000）

摘 要：有限元分析在实际工程中的应用越来越普及，用于计算分析结构中的力学行为，具有重要的实际意义。本文使用有限元分析软件，对排架钢结构进行结构分析，其中包括结构变形及应变情况分析。通过建立排架有限元模型的方法进行建模，随后对建立的模型进行约束条件和施加载荷的操作，最后对排架的模型进行求解并且查看结果后处理等操作，得出排架的变形应变情况并分析。

1.研究背景

钢结构是用钢材料组成的结构，是主要的建筑材料之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料均匀性和各向同性好，属于理性弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性好、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力载荷。本文将对钢结构的典型形式——排架结构进行建模及受力分析。

2.研究内容

2.1 三维建模

如图 1 所示排架的结构尺寸为 12m×10m×9m，弹性模量E=2.06E5，泊松比μ=0.3，材料质量密度ρ=7850。单元类型：BEAM188表 1 排架杆件规格

杆件名称  杆架编号  截面形状  规格

立柱梁  1  钢管  Φ180×10，Ri=80，Ro=90

大横梁  2  工字型  210×180×8×20

屋顶各梁  3  工字型  150×100×6×10

屋顶梁支撑  4  钢管  Φ50×8，Ri=17，Ro=25

表 2 杆件受力及载荷

位置  类型  载荷

边上节点载荷  竖向载荷  1500N

中间节点载荷  竖向载荷  3000N

边上节点载荷  水平载荷  1000N

中间节点载荷  水平载荷  2000N

加速度载荷 ACEL 分项值：0，-13000，5000（mm/ s^2）边界条件：钢排架与地连接的整个方向位移和转角全约束。

2.2 静力学分析

2.2.1 施加约束与载荷

排架是指由梁和柱构承重体系的成钢结构，即由梁和柱组成排架共同抵抗使用过程中出现的水平载荷和竖直载荷。对所有的柱子的柱脚施加全方位的约束。对节点施加水平载荷或竖直载荷。对排架施加约束载荷后如图 2.

2.2.2 静力分析结果

如图 3，结构最大变形 197.051（单位为 mm，下同）。X 方向最大变形 UX=-3.93553；Y 方向最大变形 UY=-17.6892；Z 方向最大变形UZ=-197.037.

由分析结果可见，沿 Z 轴方向变形最大，且变形主要发生在屋顶梁。

如图 4，绕 X 轴转动变形最严重处为屋顶；绕 Y 轴转动最严重处为迎风面；绕 Z 轴转动变形最严重处为屋顶中部。整体来看，边缘梁中点处最为危险。