天窗結構優化設計論文

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1結構優化計算

1．1箱梁支座的強度優化設計

箱梁節點是整個承重鋼梁最為關鍵的部位，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號承重結構進行不同荷載狀態下的分析。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，著重對承重結構需要優化的地方進行分析，從而提出可行的優化設計方案。天窗閉合狀態時不同受力荷載條件下對天窗閉合狀態下的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閉狀態下的GWJ－4屋架關鍵部位的受力分析。看出:在GWJ－4屋架的跨中位置附近，其應力分布比較均勻，沒有大的應力集中區，且最大Mises應力均小于100MPa，在此應力下支撐板是不會發生局部屈服的。最大Mises應力小于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。箱梁支座數值分析結果知，最大Mises應力約為230MPa，主要是因為梯形加勁肋存在明顯的應力集中區，導致該位置出現了較大的應力。一般來說，由塑性材料制成的構件，應力集中對其在靜荷載作用下的強度幾乎無影響，但是該結構為滑動式玻璃天窗的承重結構，需要各種交變荷載的作用，因此有必要對此支座進行優化設計，減小其應力集中系數。天窗全關閉狀態下的GWJ－4屋架關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閉狀態下的豎向位移分布圖。從結果可以看出:在此工況下，箱形梁產生的最大豎向位移約為5mm，位置在箱型梁的跨中部位，根據鋼結構的設計規范，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力仍然很小，因此不再重復分析。在此工況下箱形梁支座的應力狀況。在兩種荷載的共同作用下，支座個別單元的應力已經超過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力集中，這對結構的長期穩定性是不利的，因此有必要采取措施來減輕應力集中帶來的危險。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，滿足工程設計的規范的要求，這說明該屋架的豎向剛度已經滿足要求。風荷載主要影響箱形梁的水平位移，在此作用下，箱形梁產生了較大的水平位移，其最大值仍產生在箱型梁的跨中位置處，為4．3mm。根據鋼結構設計規范，此水平位移的大小是滿足工程設計要求的，因此無需另外增加水平方向剛度。

1．1．3箱梁支座的優化設計由上面兩種荷載條件下應力和位移的數值模擬結果分析可知，在天窗玻璃全關閉狀態下，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力集中，這導致支座支撐板出現了個別單元的屈服。根據疲勞理論，在交變荷載的作用下，應力集中會降低結構的強度和耐久性。因此，提出了以下可行的減小支座應力集中的實施方案。針對梯形加勁肋應力集中程度高的現象，建議在支座兩側再添加兩個相同尺寸的梯形加勁肋。對優化后的支座，運用有限元對其在承重荷載及風荷載作用下進行應力分析，如圖8所示。可以得出，經過優化后支座的最大應力是187MPa，其應力集中程度相比未優化之前的支座已經減小很多。這說明此優化起到了良好的效果。

1．2連接板的優化設計

滑動天窗從完全關閉至完全打開過程中時，數值模擬分析，在連接板與箱梁的接觸處存在較大的應力集中，這導致了部分單元的應力超過了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生屈服，這對韌性結構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定性，連接板所受的最大應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化設計。針對以上分析知，連接板存在的最大問題是該處存在應力集中，導致了該處產生了較大的集中應力，從而影響結構的長期安全性和穩定性。為了消除應力集中，可以采取以下兩種措施:第一種是通過構造措施減小應力集中，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計，例如增加連接板的數量來減小每塊連接板所受的應力、連接板采用強度更高的鋼材等等。此處我們對第二種優化措施進行了數值模擬，驗證了其可行性。

2結論

經過上述對箱梁支座和連接板的數值模擬，對鋼梁的主要支座、聯系桿件進行了分析，并對其進行了優化。將優化前后的應力應變分布情況對比分析，發現優化后的節點和支座可以有效避免一些較為顯著的應力集中區域，從而使得屋蓋結構的支座和連接更加合理和安全，為后續工程的設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：中鐵建設集團有限公司 四川大學水利水電學院