MIDAS/Gen張弦結(jié)構(gòu)分析

2016-12-13 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

張弦結(jié)構(gòu)分析

概要

此例題將介紹利用MIDAS/Gen做張弦結(jié)構(gòu)分析的整個(gè)過(guò)程,以及查看分析結(jié)果的方法。

該例題的建模部分可以參見(jiàn)MIDAS/Gen語(yǔ)音資料的弧形網(wǎng)架建模動(dòng)畫(huà),這里不再做介紹。通過(guò)該例題希望用戶(hù)能夠了解做張弦結(jié)構(gòu)分析的一般步驟和過(guò)程,重點(diǎn)是讓用戶(hù)了解在MIDAS/Gen中施加和調(diào)整索單元張拉力的方法、幾何非線性分析的設(shè)置及如何對(duì)帶有索單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性反應(yīng)譜分析。

張弦結(jié)構(gòu)概述

張弦結(jié)構(gòu)是將上弦剛性受壓構(gòu)件通過(guò)撐桿與下弦拉索組合在一起形成自平衡的受力體系,是一種大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系。

張弦結(jié)構(gòu)上弦剛性構(gòu)件可以是實(shí)腹式梁,也可以是格構(gòu)式桁架,據(jù)此對(duì)不同的張弦結(jié)構(gòu)可稱(chēng)作張弦梁或張弦桁架。本例題中介紹的模型使用張弦桁架。

張弦結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

張弦結(jié)構(gòu)在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時(shí),由于引進(jìn)了具有抗壓和抗彎能力的桁架或梁而使體系的剛度和穩(wěn)定性大為增強(qiáng)。

對(duì)張弦結(jié)構(gòu)中索施加一定的預(yù)拉力,這既可使索具有適當(dāng)?shù)某跏伎嚲o度,也可對(duì)索與桁架或梁之間的受力比例進(jìn)行必要調(diào)整;既充分發(fā)揮了索的抗拉能力,又調(diào)整了桁架或梁的內(nèi)力分布(使桁架或梁中的內(nèi)力分布趨于均勻)

張弦結(jié)構(gòu)的形態(tài)定義

張弦結(jié)構(gòu)像懸索結(jié)構(gòu)等柔性結(jié)構(gòu)一樣,根據(jù)張弦結(jié)構(gòu)的加工,施工及受力特點(diǎn),通常將其結(jié)構(gòu)形態(tài)定義為零狀態(tài)、初始態(tài)和荷載態(tài)三種。

(1):零狀態(tài)

零狀態(tài)是拉索張拉的前狀態(tài),實(shí)際上是指構(gòu)件的加工和放樣狀態(tài),通常也稱(chēng)結(jié)構(gòu)放樣態(tài)。

當(dāng)索張拉完畢后,結(jié)構(gòu)上弦構(gòu)件的形狀將發(fā)生偏離,從而不能滿(mǎn)足建筑的要求,因此,張弦結(jié)構(gòu)上弦構(gòu)件的加工放樣要考慮這種索張拉后帶來(lái)的變形影響,這是張弦結(jié)構(gòu)要進(jìn)行零狀態(tài)定義的原因。

(2):初始態(tài)

初始態(tài)是拉索張拉完畢后,結(jié)構(gòu)安裝就位的形態(tài),通常也稱(chēng)預(yù)應(yīng)力態(tài)。

初始態(tài)是建筑施工圖中所明確的結(jié)構(gòu)外形。

(3):荷載態(tài)

荷載態(tài)是外荷載作用在初始態(tài)結(jié)構(gòu)上發(fā)生變形后的平衡狀態(tài)。

張弦桁架在MIDAS中的計(jì)算

此例題的分類(lèi)及各自的步驟如下:

一、在工程中已知索單元初拉力的情況下,加其它荷載進(jìn)行分析,求索單元的拉力變化及結(jié)構(gòu)的變形。

1. 打開(kāi)建好的張弦桁架模型、輸入其它荷載

2. 輸入索單元的初拉力(即對(duì)索單元進(jìn)行張拉)

3. 定義幾何非線性分析控制數(shù)據(jù)

4. 運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析

5. 查看結(jié)果

二、對(duì)帶有索單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析

1. 打開(kāi)建好的張弦桁架模型

2. 添加各類(lèi)荷載、設(shè)定反應(yīng)譜及工況

3. 使用小位移輸入索單元的初拉力(即對(duì)索單元進(jìn)行張拉)

4. 運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析

5. 查看有關(guān)結(jié)果

分析模型與荷載工況

本例題張弦桁架的幾何形狀、邊界條件以及所使用的構(gòu)件如圖1所示。本例題的邊界條件設(shè)定為一端鉸接,另一端為滑動(dòng)支座。本例題中荷載只考慮自重、屋蓋作用恒荷載、活荷載、索的初拉力。(本例題數(shù)據(jù)僅供參考)

注意:進(jìn)行幾何非線性分析時(shí),需要查看幾種荷載按一定的方式進(jìn)行荷載組合作用后的結(jié)果,必須將該荷載組合作為一個(gè)工況進(jìn)行非線性分析,查看該工況的結(jié)果。不能象彈性分析時(shí),直接查看分析后幾種單獨(dú)工況的線性組合結(jié)果。

? 荷載工況 1 – 自重

? 荷載工況 2 –屋面恒荷載 10kN (節(jié)點(diǎn)荷載)

? 荷載工況 3 –屋面活荷載 5kN (節(jié)點(diǎn)荷載)

? 索初拉力 770kN

張弦結(jié)構(gòu)分析 - hwen - 建筑結(jié)構(gòu)與施工技術(shù)交流

圖1 分析模型

輸入各種荷載

自重、屋面恒、活荷載的輸入

設(shè)定荷載工況,輸入自重、屋面恒荷載、屋面活荷載。關(guān)于荷載的輸入,可以參見(jiàn)平面網(wǎng)架的例題。

由荷載組合建立荷載工況

在使用非線性分析的時(shí)候,需要查看幾種荷載按一定的方式進(jìn)行荷載組合作用后的結(jié)果,必須將該荷載組合作為一個(gè)工況進(jìn)行非線性分析,查看該工況的結(jié)果。分析結(jié)束后,將不同的荷載工況分別乘以不同的組合系數(shù)進(jìn)行疊加組合的方法,只適合于線彈性的分析。MIDAS/Gen中可以通過(guò)“荷載>由荷載組合建立荷載工況”將某一荷載組合生成一種荷載工況,再利用該工況進(jìn)行分析。

本例題中,假設(shè)需要查看的是在1.2倍恒荷載(包括自重)和1.4倍活荷載(即 1.2D+1.4L)組合下的結(jié)果。

注意:使用該功能的時(shí)候,程序只將荷載組合中原來(lái)各個(gè)工況已經(jīng)添加的荷載復(fù)制到新建的工況中,但是原來(lái)工況中在使用該功能后添加的荷載,程序不會(huì)自動(dòng)復(fù)制。

例如在本例題中,如果在利用該功能生成了新的名為“1.2D+1.4L”的荷載工況后,又在“D”荷載工況中,添加了新的恒荷載,那么,新添加的恒荷載不會(huì)自動(dòng)的復(fù)制到“1.2D+1.4L”的荷載工況中,需要利用該功能再手動(dòng)生成一次。

圖2 由荷載組合生成荷載工況

添加索單元的初拉力

在MIDAS/Gen中,進(jìn)行幾何非線性分析(大位移)分析時(shí),給索單元加初拉力的方法有三種:

1、荷載>初始荷載>大位移>幾何剛度初始荷載,

2、在建立單元的時(shí)候,“單元類(lèi)型”選擇為索單元時(shí),使用無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度“Lu”或者直接加“初拉力”,

3、荷載>預(yù)應(yīng)力荷載>初拉力荷載。

方法一施加的初拉力相當(dāng)于內(nèi)力。這可以用以下兩點(diǎn)來(lái)理解:一是該力不屬于任何荷載工況。在查看某一荷載工況下的索單元內(nèi)力時(shí),顯示的數(shù)值為該荷載工況作用下索單元內(nèi)力和索中初拉力兩者的合力。二是它只作用在施加了力的索單元上,在分析時(shí)該方法加的初拉力只影響索單元的剛度,不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力或者位移。(添加一個(gè)空工況,即只給工況類(lèi)型,不添加任何屬于該類(lèi)型的荷載值,分析后可以看到空工況作用下結(jié)構(gòu)中不產(chǎn)生位移,只有索單元有內(nèi)力,其余構(gòu)件的內(nèi)力為零。)

幾何剛度初始荷載提供的是剛度,而不是外力,外力是會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的。可以這樣理解,在進(jìn)行幾何非線性分析的時(shí)候,索其實(shí)相當(dāng)于桁架,只是在每一步迭代時(shí),索單元內(nèi)的拉力會(huì)不斷變化,索單元的剛度也在不斷變化,索單元就好比是一根截面在不斷變化的桁架單元。

2 使用建立單元的時(shí)候添加初拉力和添加初拉力荷載的方式給索單元施加張拉力,對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是一樣的,即在張拉力和相同的外荷載作用下,結(jié)構(gòu)的反應(yīng)是一樣的。只是二者的用途稍有不同,方法二比較直接,但是不適合做分批張拉索的施工階段分析,方法三則適用于施工階段分析。

2 在只使用“初拉力荷載”給索添加初拉力的時(shí)候,分析時(shí)有時(shí)候會(huì)提示錯(cuò)誤或者不收斂,此時(shí),可以添加一個(gè)較小的“幾何剛度初始荷載”,這樣分析的時(shí)候容易收斂,對(duì)索單元的內(nèi)力影響也不大。

方法二、三施加的初拉力相當(dāng)于外力。它們的共同點(diǎn)是都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中的其它構(gòu)件產(chǎn)生影響,帶來(lái)位移及內(nèi)力。但是兩者又有不同,最主要的不同是:建立索單元的時(shí)候添加的初拉力,既是外力,同時(shí)還影響索單元在計(jì)算時(shí)候的初始剛度;而使用“初拉力荷載”添加的初拉力,只是外力,不影響索單元在計(jì)算時(shí)候的初始剛度。另外二者還有以下的不同:

方法二施加的初拉力,不需要設(shè)定為荷載工況,在計(jì)算后,查看某工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí),得到的結(jié)果是該工況和初拉力共同作用的結(jié)果。(可以在模型中添加一個(gè)空工況,分析后可以看到該工況下,結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生位移,除了索單元有內(nèi)力外,其余構(gòu)件也會(huì)有內(nèi)力。)

在分析時(shí)該方法加的初拉力既影響索單元的初始剛度,又對(duì)其它構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力。

工程中,如果需要模擬張拉索單元后,考慮其它構(gòu)件中也帶有內(nèi)力的情況,可以使用該方法添加初拉力,然后可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)在其它工況的荷載作用下的非線性分析。

方法三需要設(shè)定初拉力為某一荷載工況,當(dāng)需要查看另外一個(gè)工況和初拉力共同作用的結(jié)果時(shí),要將二者放在同一個(gè)工況內(nèi),進(jìn)行非線性計(jì)算。在需要考慮施工過(guò)程(例如分批張拉索單元)的時(shí)候,可以采用這種方法施加初拉力并設(shè)定施工階段進(jìn)行分析。MIDAS/Gen施工階段的定義可參加相關(guān)例題。

在本例題中,使用建立索單元的時(shí)候添加初拉力的方法。

見(jiàn)圖3。

主菜單>模型>單元>建立。單元類(lèi)型選擇“只受拉/勾/索單元”,選擇“索”,使用“水平力”,填入初拉力的值。

如果需要修改索單元的初拉力,可以從主菜單>查詢(xún)>單元詳細(xì)表格;或者選擇索單元,在模型窗口點(diǎn)擊右鍵, “單元>單元詳細(xì)表格”。在表格中修改索的初拉力值,見(jiàn)圖4。

設(shè)定非線性分析控制數(shù)據(jù)

主菜單>分析>非線性分析控制。

設(shè)定幾何非線性的分析,選擇計(jì)算方法、加載步驟數(shù)量、子步驟內(nèi)迭代次數(shù),選擇收斂條件。

添加“非線性分析荷載工況”,則對(duì)該工況使用單獨(dú)設(shè)定的計(jì)算方法及加載步驟數(shù)量,其余的荷載工況使用“計(jì)算方法”

運(yùn)行分析并查看結(jié)果

運(yùn)行分析后,注意信息窗口里面的提示,如果有不收斂,如圖5所示,需要調(diào)整“非線性分析控制數(shù)據(jù)”里面的有關(guān)參數(shù)。

通過(guò)“主菜單>結(jié)果>位移>位移等值線”、“主菜單>結(jié)果>內(nèi)力>桁架單元內(nèi)力”,可以圖形方式查看結(jié)構(gòu)的位移、桁架及索單元的內(nèi)力,分別見(jiàn)圖7、圖8。

通過(guò)“主菜單>結(jié)果>分析結(jié)果表格>索單元>內(nèi)力”、“主菜單>結(jié)果>分析結(jié)果表格>索單元>信息”,可以表格方式查看索單元的內(nèi)力及有關(guān)信息,見(jiàn)圖9、圖10。

也可以通過(guò)“主菜單>結(jié)果>分析結(jié)果表格>桁架單元>內(nèi)力”、“主菜單>結(jié)果>分析結(jié)果表格>桁架單元>應(yīng)力”,在“選擇類(lèi)型”中選擇“只受拉桁架單元”,點(diǎn)擊 ,也可以查看索單元的內(nèi)力、應(yīng)力,見(jiàn)圖11、圖12。

圖7. 以圖形方式顯示結(jié)構(gòu)的位移

2 如果只想顯示結(jié)構(gòu)中部分單元的內(nèi)力數(shù)值,而其它的構(gòu)件又要同時(shí)顯示出來(lái)時(shí),可以單擊“顯示選項(xiàng)”按鈕,選擇“繪圖”下面的“被鈍化的目標(biāo)”,在右邊的“選擇值”中勾選“顯示單元、節(jié)點(diǎn)”。

圖8. 以圖形方式顯示索單元的內(nèi)力

圖9. 以表格方式顯示索單元的內(nèi)力