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摘 要：为了研究单层框架结构体系民宅的承载能力特性，文章以北方村镇某民宅为计算模型，对其在自重作用下的应力变形响应进行静力分析，得到该类建筑结构的承载能力特性，同时通过针对有限元模型的分析，对现有的单层框架民宅的受力特性改善提出建议。应用大型通用有限元计算软件ANSYS对某单层框架体系民宅建立三维有限元模型，并根据模型计算了其在自重作用下的静力响应，得到了该模型在自重作用下的应力变形响应，所得到的结论可以为单层框架结构体系的民宅设计以及承载力研究提供参考依据。
关键词：民宅；框架结构；ANSYS；应力应变
中图分类号：TV31；TV641 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）21-0157-02
1 概 述
单层框架结构是框架结构的一种，主要是梁柱之间刚接而形成框架，共同承受水平荷载以及竖向荷载的单层结构。由于单层框架结构具有自重轻、造价低、施工简便、易于构造较大空间、各个空间的分配灵活等特点，近几年被广泛应用于村镇民宅、厂房等建筑结构中。因此对单层框架结构的进行研究是很有必要的。目前我国对于单层框架民宅结构的设计与研究较为广泛，但主要是基于结构设计基础理论下的构件验算，应用数值模拟方式对已有的民宅单层框架体系进行承载能力的研究较少。本文以北方村镇某民宅为计算模型，对其在自重作用下的应力变形响应进行静力分析，得到该类建筑结构的承载能力特性，同时通过针对有限元模型的分析，对现有的单层框架民宅的受力特性改善提出建议。
2 计算模型
通过有限元软件ANSYS对单层框架结构进行静力响应分析，首先应当建立合适的三维有限元分析模型，这是在进行保障静力分析结果准确性的一个非常关键的步骤。本文研究的单层框架体系结构为北方村镇的传统民宅结构，将其主框架体系建立三维有限元模型，该民宅结构的平面示意图，如图1所示。
对单层框架式民宅建筑建立有限元基础模型，其中模型的梁和柱单元均采用单元库的beam188单元进行模拟，此单元为3节点的单元，对于网格划分具有很好的适应能力，同时对民宅模型的建模方式采用自上而下的建模方法，其中设定材料的基本参数如下：混凝土的弹性模量为2.2×105 MPa，泊松比为0.28，混凝土容重为2 400 kg/m3，本民宅的建筑高度为3.5 m，楼板层厚度为10 cm。在有限元模型建立完成以后，需要对模型单元划分网格并进行相应的约束以及荷载加载，在立柱处施加固定约束，楼板的质量以集中力的形式平均加载于各个支撑柱上，对模型施加自重荷载。根据民宅平面图所建立的有限元模型计算图，如图2所示。
3 静力响应分析
通过对上述模型的加载以后，对该有限元模型进行静力响应计算。在计算完成以后通过结构通用后处理器可以看到单层框架体系的静力响应结果，主要可以看到结构的应力、应变（包括弹性应变和塑性应变）、位移等静力响应结果，对结构求解后所得到的单层框架体系在自重作用下的应力变形结构，如图3、图4所示。
根据图3可以看出，单层框架体系民宅在自重作用下的变形值较小，其最大的变形值仅为3.99 mm，出现在单跨最长的梁跨中处，其余有较大的挠度变形的位置几乎也出现在各个梁的跨中处，而且单跨梁的跨径越大，其跨中处的梁的挠度变形值也就越大，这是由于在梁的横截面相等的情况下，结构两端都为固定支撑，此时长细比越大其结构刚度也就越大，是符合结构受力变化趋势的。从图3中可以看出，在自重静力作用下，结构体系的柱的整体变形量都不大，这是由于对立柱的下端考虑到有基础的固向约束均采用固定端进行处理，因此变形的最小值为0，均出现在立柱的最下端，随着立柱高度的不断增加，立柱上端的变形值也不断变大，部分立柱的上端单元出现了较大的位移值。
根据图4可以看出，单层框架体系民宅在自重作用下的应力值变化较大，最小的应力值为1 782 Pa，出现在跨径最短的横梁跨中位置，结构最大的应力值为2.81 MPa，出现在梁与柱的刚节点处，这是由于对于固定端结构跨径较小时，梁的跨中处所受到的内力相对较小，而梁柱的节点处由于是刚节点，力矩由此传递，因此在刚节点处会产生一定的力矩叠加。从图4中可以看出，在自重作用下，单层框架结构体系的柱的应力较大值会出现在立柱上以及较大跨径的梁的跨中处，这是因为其中立柱处承受了自身的重力荷载以外还承受了楼板的自重所附加的集中力，立柱主要所受到的是压应力，同时，立柱的底部有一定的应力作用。梁的变形会受到一定的弯矩，也会产生一定的拉应力。梁体由于本身的自重作用会有一定的梁弯曲拉应力出现，而且最大值会出现在梁跨中处，并且梁的单跨跨径越大，梁所受到的弯曲拉应力就越大。
4 结 语
通过运用大型通用有限元计算软件ANSYS对单层框架结构体系对某民宅进行了静力响应分析，对我国现有的北方村镇民宅单层框架结构以下提出相关建议。
①分析结构表明单层框架结构体系民宅在自重作用下的变形量出现在单跨最长的梁跨中处，最大变形为4 mm，单跨梁的跨度越大，变形量也就越大，因此在建筑单层框架结构时应该考虑多建设结构性立柱。
②有限元数值模拟的应力值最大值出现在梁柱的刚节点处，为2.81 MPa，因此在梁柱的刚节点处应该加强保护结构。但单层框架结构体系由于立柱较短，所受到的屈曲应力也较小，应力最大值与混凝土受压容许应力值8～9 MPa相差较多，因此可以认为单层框架结构体系民宅的静力承载能力较好。
参考文献：
[1] 赵加宁，王东魁，严柳生.黑龙江省农村住宅供暖方式及室内热环境调查[A].全国暖通空调制冷2010年学术年会资料集[C].2010.
[2] 李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社2010.
[3] 王洋，郝志军.ANSYS在土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
[4] 冯秀苓.高层建筑结构温度效应分析[J].煤炭工程2006，（4）.
关键词：民宅；框架结构；ANSYS；应力应变
中图分类号：TV31；TV641 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）21-0157-02
1 概 述
单层框架结构是框架结构的一种，主要是梁柱之间刚接而形成框架，共同承受水平荷载以及竖向荷载的单层结构。由于单层框架结构具有自重轻、造价低、施工简便、易于构造较大空间、各个空间的分配灵活等特点，近几年被广泛应用于村镇民宅、厂房等建筑结构中。因此对单层框架结构的进行研究是很有必要的。目前我国对于单层框架民宅结构的设计与研究较为广泛，但主要是基于结构设计基础理论下的构件验算，应用数值模拟方式对已有的民宅单层框架体系进行承载能力的研究较少。本文以北方村镇某民宅为计算模型，对其在自重作用下的应力变形响应进行静力分析，得到该类建筑结构的承载能力特性，同时通过针对有限元模型的分析，对现有的单层框架民宅的受力特性改善提出建议。
2 计算模型
通过有限元软件ANSYS对单层框架结构进行静力响应分析，首先应当建立合适的三维有限元分析模型，这是在进行保障静力分析结果准确性的一个非常关键的步骤。本文研究的单层框架体系结构为北方村镇的传统民宅结构，将其主框架体系建立三维有限元模型，该民宅结构的平面示意图，如图1所示。
对单层框架式民宅建筑建立有限元基础模型，其中模型的梁和柱单元均采用单元库的beam188单元进行模拟，此单元为3节点的单元，对于网格划分具有很好的适应能力，同时对民宅模型的建模方式采用自上而下的建模方法，其中设定材料的基本参数如下：混凝土的弹性模量为2.2×105 MPa，泊松比为0.28，混凝土容重为2 400 kg/m3，本民宅的建筑高度为3.5 m，楼板层厚度为10 cm。在有限元模型建立完成以后，需要对模型单元划分网格并进行相应的约束以及荷载加载，在立柱处施加固定约束，楼板的质量以集中力的形式平均加载于各个支撑柱上，对模型施加自重荷载。根据民宅平面图所建立的有限元模型计算图，如图2所示。
3 静力响应分析
通过对上述模型的加载以后，对该有限元模型进行静力响应计算。在计算完成以后通过结构通用后处理器可以看到单层框架体系的静力响应结果，主要可以看到结构的应力、应变（包括弹性应变和塑性应变）、位移等静力响应结果，对结构求解后所得到的单层框架体系在自重作用下的应力变形结构，如图3、图4所示。
根据图3可以看出，单层框架体系民宅在自重作用下的变形值较小，其最大的变形值仅为3.99 mm，出现在单跨最长的梁跨中处，其余有较大的挠度变形的位置几乎也出现在各个梁的跨中处，而且单跨梁的跨径越大，其跨中处的梁的挠度变形值也就越大，这是由于在梁的横截面相等的情况下，结构两端都为固定支撑，此时长细比越大其结构刚度也就越大，是符合结构受力变化趋势的。从图3中可以看出，在自重静力作用下，结构体系的柱的整体变形量都不大，这是由于对立柱的下端考虑到有基础的固向约束均采用固定端进行处理，因此变形的最小值为0，均出现在立柱的最下端，随着立柱高度的不断增加，立柱上端的变形值也不断变大，部分立柱的上端单元出现了较大的位移值。
根据图4可以看出，单层框架体系民宅在自重作用下的应力值变化较大，最小的应力值为1 782 Pa，出现在跨径最短的横梁跨中位置，结构最大的应力值为2.81 MPa，出现在梁与柱的刚节点处，这是由于对于固定端结构跨径较小时，梁的跨中处所受到的内力相对较小，而梁柱的节点处由于是刚节点，力矩由此传递，因此在刚节点处会产生一定的力矩叠加。从图4中可以看出，在自重作用下，单层框架结构体系的柱的应力较大值会出现在立柱上以及较大跨径的梁的跨中处，这是因为其中立柱处承受了自身的重力荷载以外还承受了楼板的自重所附加的集中力，立柱主要所受到的是压应力，同时，立柱的底部有一定的应力作用。梁的变形会受到一定的弯矩，也会产生一定的拉应力。梁体由于本身的自重作用会有一定的梁弯曲拉应力出现，而且最大值会出现在梁跨中处，并且梁的单跨跨径越大，梁所受到的弯曲拉应力就越大。
4 结 语
通过运用大型通用有限元计算软件ANSYS对单层框架结构体系对某民宅进行了静力响应分析，对我国现有的北方村镇民宅单层框架结构以下提出相关建议。
①分析结构表明单层框架结构体系民宅在自重作用下的变形量出现在单跨最长的梁跨中处，最大变形为4 mm，单跨梁的跨度越大，变形量也就越大，因此在建筑单层框架结构时应该考虑多建设结构性立柱。
②有限元数值模拟的应力值最大值出现在梁柱的刚节点处，为2.81 MPa，因此在梁柱的刚节点处应该加强保护结构。但单层框架结构体系由于立柱较短，所受到的屈曲应力也较小，应力最大值与混凝土受压容许应力值8～9 MPa相差较多，因此可以认为单层框架结构体系民宅的静力承载能力较好。
参考文献：
[1] 赵加宁，王东魁，严柳生.黑龙江省农村住宅供暖方式及室内热环境调查[A].全国暖通空调制冷2010年学术年会资料集[C].2010.
[2] 李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社2010.
[3] 王洋，郝志军.ANSYS在土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
[4] 冯秀苓.高层建筑结构温度效应分析[J].煤炭工程2006，（4）.