装配式轻钢结构屋面板连接节点受力分析

装配式轻钢结构屋面板连接节点受力分析

计康生

安徽中亚钢结构工程有限公司安徽合肥230051

摘要：根据工程实际项目运用通用有限元软件ADINA对装配式轻钢结构屋面板连接节点进行了受力分析。结果表明：不同角度的连接节点承受的极限荷载基本相同，应力比和位移满足规范的要求，偏于安全；在设计荷载作用下，节点板与钢屋架的角度对计算结果影响不大。

关键词：装配式轻钢结构；模块化；ADINA

引言

装配式轻钢结构建筑，由主体结构、基础、墙面、楼面、屋面等单元模块组成，各单元模块在工厂加工制作完成，施工现场将各单元模块组装起来，形成具有轻质、节能、环保、舒适等功能为一体的绿色建筑，有时也称为模块化集成建筑。装配式轻钢结构建筑重量轻，现场湿作业量少，施工安装便捷，现场工期是传统建筑建造周期的10%-30%。装配式轻钢结构建筑，能够实现标准化设计，工厂化生产，装配化施工，广泛应用于建设工地的临时办公室、宿舍；城市办公、民用安置和展览等临时用房；旅游区休闲别墅、度假屋等[1]。

1工程概况

本文工程实际项目为装配式轻钢结构别墅，主体结构采用钢框架，外墙板和屋面板采用薄壁型钢组合墙板[2]，楼板使用钢筋桁架叠合楼板，部分现浇，以减少模板和现场湿作业量，内墙板采用陶粒混凝土轻质空心条板，实行标准化设计，工厂加工制作，现场装配化施工。屋面板属于不规则的多坡屋面，为安装方便，拟采用模块化设计，与钢结构屋架通过多种节点机械连接。

根据工程经验设计的连接节点计算简图如图1所示，表1为屋面板连接节点设计参数，角度α等于66°时为节点板与钢屋架的最小夹角，角度α等于144°时为最大夹角，钢屋架侧面用垫板局部加厚。屋架和连接板材料均为Q235，强度设计值为215MPa，泊松比0.3，弹性模量2.06x105MPa，质量密度7850kg/m3，屋面板传递到节点板的最大压力设计值约为20kN。

2建立节点受力有限元模型

由于屋面板连接节点较为复杂，考虑运用通用有限元软件ADINA对屋面板连接节点进行受力分析，建立有限元计算模型，验证连接节点的可靠性[3-4]。

（1）材料选取：钢材使用理想的弹塑性模型，选用Bilinear材料，通过设置弹性模量、泊松比、屈服强度、质量密度等参数建立钢材的材料特性；

（2）单元选取：钢屋架、侧面垫板、节点板和支撑板均使用3D实体单元，一般8节点的六面体单元基本能够满足精度要求，同时能够分析连接节点整个受力过程中的细部变化；

（3）边界条件和加载：计算模型两端设置边界，约束x，y和z向平动自由度；加载函数通过TimeFunction和TimeStep设置，按2kN逐级加载，采用位移收敛准则。

（4）网格划分：由于节点的板厚较薄，网格的质量对计算结果有一定的影响，经过试算采用自由网格划分，取最大网格密度为20mm，计算时适应性较好，且精度也能满足要求。图2为JD-1有限元模型。

（5）有限元计算：选择结构静力分析模块，打开自动时间步ATS，辅助计算时收敛。

图2JD-1有限元模型

3节点受力有限元计算结果分析

图3为屋面板连接节点的荷载与水平位移、竖向位移的变化曲线，其中水平位移、竖向位移为节点板处水平、竖向位移的最大值。表2为屋面板连接节点的有限元计算结果比较。其中：设计水平位移、设计竖向位移分别为计荷载20kN时对应的节点板处的水平、竖向位移；极限荷载为整个计算模型所承受的最大荷载；极限水平位移、极限竖向位移分别为极限荷载对应的节点板处的水平、竖向位移。

（a）节点荷载—水平位移曲线

计算结果表明：JD-1、JD-2、JD-3承受的极限荷载基本相同，设计荷载约占极限荷载的65%，设计水平位移、竖向位移远小于挠度限值，满足《钢结构设计规范》（GB50017-2013）[5]的要求，且偏于安全。在设计荷载作用下，节点板与钢屋架的角度α对计算结果影响不大。

4结论

（1）运用有限元软件ADINA可以计算屋面板连接节点等较为复杂的问题；

（2）不同角度的连接节点承受的极限荷载基本相同，应力比和位移满足规范的要求，偏于安全；

（3）在设计荷载作用下，节点板与钢屋架的角度α对计算结果影响不大。

参考文献

[1]原景?，匡合.关于轻钢结构整体装配式建筑结构的研究[J]．建筑与装饰，2015．

[2]模块化蒸压加气混凝土轻钢复合保温墙体工程技术规程（CECS454：2016）[S].中国计划出版社，2016.

[3]ADINATheoryandModelingGuide[DB/CD].ADINAR&D，Inc，2011.

[4]岳戈，陈权，等.ADINA应用基础与实例详解[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5]钢结构设计规范（GB50017-2013）[s].中国计划出版社，2003.