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近年来，大量集贸市场、活动中心和简易厂房采用了钢网架屋顶结构。在钢网架屋顶结构的相关设计参数初步确定后，如何对参数的可行性和结构的可靠度进行评价是个重要问题。目前在很多建筑设计院中采用中国建筑设计研究院开发的PKPM软件进行检算。本文基于有限元理论，利用ANSYS软件对钢网架结构进行有限元建模、划分网格、加载并求解，对该结构的变形和强度进行检算。
1 钢网架屋盖构造设计简介
北京某集贸市场的屋盖为钢网架结构，由简支的钢网格组成，接头设置在网格的交点处。整个屋盖为32mx32m,由16x16个网格组成，每个网格为2mx2m，网格高1m。所有网格都采用标准构件拼装而成，包括角钢、钢板和中空方钢，接头为钢板加螺栓组成，接头板厚10mm，螺栓为M20型。屋盖顶部采用钢屋面板作为防水材料，厚1.6mm。
该集贸市场屋盖钢网架结构的平面和立面布置图如图1所示，钢网架结构的上、下弦杆，斜杆和竖杆所采用的型钢如图2所示，进行计算所用到的参数如表1所示。
2 相关有限元理论
在对钢网架屋盖结构进行有限元分析时，首先要用轴力杆单元对杆件进行离散，典型的轴力杆单元如图3所示。
每个节点i只有一个位移参数ui,单元内位移u（x）可用拉格朗日插值多项式通过节点位移ui的插值表示如下：
S123
杆单元轴向位移u（x）的泛函表达式为:
s5-s8
通过方程的求解，可得到钢网架结构各节点的位移和结构内各杆件的轴力。本文钢网架结构各节点的位移对应着结构的变形，钢网架结构内各杆件的轴力对应着结构的强度，结构变形及其强度正是本设计的2个重要指标。有限元理论的具体应用和结构相关参数的求解分析见下文。
3 有限元建模与网格划分
在对具体问题进行有限元分析时，首先要做的就是针对相应问题建立适当的有限元模型，由节点和单元构成的有限元模型与结构系统的几何外形是一致的，其中最主要的是单元类型和形状的选择，以及网格的划分。
由于钢网架屋顶结构中各杆件在端点处通过螺栓、铆钉、销钉或焊接而连接在一起，故本文在建模前进行2点假设：一是各杆件均由光滑的杆件和球形节点连接在一起，而且只要连接构件的中心线相交于一点，通过螺栓或焊接而连接的节点都看作光滑的销钉（无弯曲）；二是所有外荷载均施加在节点上。
启动ANSYS程序，依次定义材料、实常数和单元类型。打开link1实常数对话框，添加4种link1单元实常数，钢网架屋顶中上、下弦杆、竖杆和斜杆的截面积分别为0.001952m2、0.00135m2、0.0007m2和0.0003892m2。然后输入钢材的弹性模量2x10*11及其泊松比0.3，关闭材料本构模型对话框，建立该钢网架屋顶结构的有限元模型，如图4所示。
对该有限元模型进行网格划分，将所有单元尺寸控制设置为1m，并设置好要划分的单元属性，划分完的屋盖结构单元网格图，如图5所示。
4 钢网架屋盖结构受力检算
4.1 加载与求解
在建立了有限元模型之后，就可以对模型施加荷载并求解。施加荷载是进行有限元分析的关键步骤之一，可直接对实体模型施加荷载，也可以对网格划分之后的有限元模型施加荷载。本文采用后者，对网格划分完毕后的有限元模型进行了加载。在ANSYS中对模型施加荷载，可有多种方法，而且通过荷载步选项，可以控制求解过程中如何使用荷载。荷载包括边界条件和模型内外部的作用力，在结构分析中通常有：位移、力、弯矩及温度等。本文中采用的外荷载为施加于节点上的集中力，边界条件为在模型左端相应节点处x、y两方向无位移（固定铰支座），在右端相应节点处y方向无位移（活动铰支座）。
根据钢网架屋盖结构的实际受力情况，对结构模型进行加载模拟，在下弦杆各节点处施加方向向下、大小为352.6KN的力，在上弦杆中间部分各节点处施加方向向下、大小为806.4KN的力，在上弦杆两端节点处施加方向向下、大小为403.2KN的力，加上外荷载和相应边界条件后的钢网架结构有限元模型如图6所示。
4.2 查看内力和变形结果
钢网架屋顶结构在加载、求解后的结构变形图，如图7所示。
提取并整理生成的结果数据，各杆件单元的轴力如表2所示。
该钢网架屋顶结构的各单元轴力云图，如图8所示。
5 计算结果分析
该屋盖结构的内力和变形见上述图表，其最大变形（竖向挠度）为49.748mm。现按照1/500的跨度值作为竖向挠度的控制指标，则该屋盖32m跨度的竖向挠度控制值为64mm。因此本设计的钢网架屋顶结构满足变形要求。
该结构各单元轴力的最大值与最小值如表3所示，上弦杆受压、下弦杆受拉、竖杆受压及斜杆受拉压。从表3中可看出，所有单元的拉压应力均未超出钢材的应力设计值，故设计强度满足要求。
6 结论
本文以算例的形式，介绍了有限元软件ANSYS在钢网架屋顶结构设计中的应用。计算结果表明，该钢网架屋盖结构中所有构件的拉、压应力均未超出钢材的应力设计值，而且该屋顶的竖向挠度也满足结构变形控制指标的要求，故该钢网架屋盖结构设计所选取的相关参数合理。该算例表明，有限元分析在检算钢网架屋盖结构设计参数的可行性方面比较适用，可以直接利用有限元软件ANSYS，通过建立有限元模型，输入相关计算参数，然后划分网格、加载、求解，最终提取需要的相关力学参数。类比本算例，可通过建立适当的有限元模型，将有限元软件ANSYS作为辅助工具应用于其他工程结构的参数设计与力学检算中。
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