淺析天窗結構優(yōu)化設計論文
1結構優(yōu)化計算
1、1箱梁支座的強度優(yōu)化設計
箱梁節(jié)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(tài)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(yōu)化的地方進行分析，從而提出可行的優(yōu)化設計方案。天窗閉合狀態(tài)時不同受力荷載條件下對天窗閉合狀態(tài)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(tài)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(qū)，且最大Mises應力均小于100MPa，在此應力下支撐板是不會發(fā)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(qū)，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(yōu)化設計，減小其應力集中系數。天窗全關閉狀態(tài)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(tài)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(guī)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(wěn)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(guī)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(guī)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(yōu)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(tài)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(yōu)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(yōu)化后支座的最大應力是187MPa，其應力集中程度相比未優(yōu)化之前的支座已經減小很多。這說明此優(yōu)化起到了良好的效果。
1、2連接板的優(yōu)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(fā)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(wěn)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(yōu)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(wěn)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(yōu)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(yōu)化。將優(yōu)化前后的應力應變分布情況對比分析，發(fā)現優(yōu)化后的節(jié)點和支座可以有效避免一些較為顯著的應力集中區(qū)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(xù)工程的設計和施工提供了較有參考價值的建議。
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