為研究拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的承載能力，運用有限元計算軟件ansys建立了某拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的平面模型，并對模型進行加載。通過有限元分析，得到了拱形屋蓋結(jié)構(gòu)在自重以及集中荷載下的應(yīng)力以及變形情況，所得結(jié)論可為相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考 。

關(guān)鍵詞： 拱形結(jié)構(gòu)； 應(yīng)力； 變形

0　引言

拱形屋頂就是用專業(yè)機組制作成具有波紋的拱形鋼板，并經(jīng)過鎖縫連接并安裝形成的拱形屋蓋結(jié)構(gòu)。拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式具有施工簡易、造價低、外形美觀、承載能力好、材料方便等優(yōu)勢，因而成為我國目前大跨度倉庫中最常用的結(jié)構(gòu)形式之一。由于該結(jié)構(gòu)的臨界承載能力是物理以及結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果，其結(jié)構(gòu)受力形式較一般的鋼架結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜。

1　典型事故

由于對結(jié)構(gòu)特性的認識不足，以及相關(guān)施工經(jīng)驗的缺乏，我國出現(xiàn)了多起大跨拱形屋蓋結(jié)構(gòu)坍塌事件，造成了較大的經(jīng)濟損失以及人員傷亡。我國北部某地區(qū)接連下了多場大雪，根據(jù)相關(guān)報道降雪量為多年罕見，并伴有大風(fēng)。此次降雪共造成該地區(qū)10余處拱形屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)生了坍塌，所照成的經(jīng)濟損失超過數(shù)千萬元。除此以外，我國東北某地區(qū)突發(fā)暴風(fēng)雪，并伴有6級大風(fēng)，造成了當?shù)囟嗵幋罂绻靶挝萆w結(jié)構(gòu)如游泳館、庫房、訓(xùn)練館等發(fā)生了坍塌，并造成了400余萬元的經(jīng)濟損失。

事故發(fā)生以后，有關(guān)專家對事故原因進行分析。得到以上兩個大跨拱形屋蓋結(jié)構(gòu)坍塌事故的多方面原因，但是主要原因是此類結(jié)構(gòu)是新引進的結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)對于拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能尚未有明確的認知，設(shè)計方法不成熟，對結(jié)構(gòu)的承載能力預(yù)測不足。

2　有限元計算

為了了解拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的承載能力，運用ansys有限元計算軟件對拱形屋蓋結(jié)構(gòu)建立模型。本例為一個跨度為15 m、高為10 m的廠房結(jié)構(gòu)，上部拱頂拱高為5 m，對拱形屋蓋結(jié)構(gòu)建立模型后并劃分網(wǎng)格進行求解，本結(jié)構(gòu)使用固定端進行約束，并在拱頂上施加30 kN的單向集中荷載。

對有限元模型進行求解以后，可以通用進行后處理查看結(jié)構(gòu)的變形以及應(yīng)力等靜力響應(yīng)指標。所得到的模型靜力響應(yīng)云圖如圖1、圖2所示。

圖1　拱形屋蓋結(jié)構(gòu)變形云圖

圖2　拱形屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

根據(jù)圖1、圖2可以看出，在上部拱頂上施加了單向集中荷載以后，拱形屋蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及變形具有較大的變化，。由于在拱頂上施加的荷載，因此拱頂?shù)淖冃瘟孔畲螅兓繛?.3 cm，由于支柱底部有固定端進行約束，因此所發(fā)生的位移量最小，變形量為0，除此以外，由于拱形結(jié)構(gòu)在受到上部豎向力作用下會產(chǎn)生一定的水平推力，因此連接倆拱腳支點的橫向拉桿產(chǎn)生了較大的拉伸變形。根據(jù)拱形屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖也可以看出，由于拱式結(jié)構(gòu)具有較好的分散受力優(yōu)勢，因此上部拱形結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力響應(yīng)量較小，由于固定端的約束，因此支柱底端的應(yīng)力量最大，為87.3 MPa，由于拱腳應(yīng)力與支柱腳步的應(yīng)力方向相反，因此在支柱中部的應(yīng)力最小，為2 983 Pa，這與鋼架結(jié)構(gòu)在上部施加豎向荷載后的應(yīng)力變化形式是有區(qū)別的。

3　結(jié)語

根據(jù)對拱形屋蓋平面結(jié)構(gòu)進行有限元分析，可以得到其在豎向作用下的承載能力，拱結(jié)構(gòu)的屋頂在收到豎向力作用的時候，會產(chǎn)生一定的水平推力，而作為庫房的拱形屋蓋結(jié)構(gòu)常常是以帶構(gòu)造柱砌體墻作為下部結(jié)構(gòu)，此時的砌體結(jié)構(gòu)很難承受水平推力。

除了結(jié)構(gòu)體系的受力選擇不當之外，還與此類結(jié)構(gòu)的施工方案不成熟、施工管理混亂等原因有關(guān)，在今后對此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工應(yīng)當更為注意。