基于ANSYS的支架穩(wěn)定性分析

2017-03-30 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著大跨度橋梁在我國(guó)西南大山大河地區(qū)的高速發(fā)展,超高的橋梁支架在工程建設(shè)中的應(yīng)用也日益廣泛,這種細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題與強(qiáng)度問(wèn)題同樣重要,有時(shí)甚至起控制作用,因此對(duì)此類支架進(jìn)行穩(wěn)定性分析是十分必要的。

本文利用有限元分析軟件 ANSYS 建立了扣件式鋼管支架的計(jì)算模

型,通過(guò)對(duì)比不同支撐搭設(shè)方式下支架的極限承載力,對(duì)扣件式支架結(jié)構(gòu)體系中支撐的作用進(jìn)行了分析。主要內(nèi)容有:

1.在 ANSYS 有限元軟件中建立分析支架結(jié)構(gòu)的合理模型,并驗(yàn)證模型的正確性。

2.利用所建立的有限元模型,分析此類支架結(jié)構(gòu)體系的失穩(wěn)形式和其中支撐的作用。

第1章緒論

1.1研究目的和意義

一般地,可以把建筑物的生命周期分為三個(gè)階段施工建造階段、正常使用階段和維修加固階段。研究人員及設(shè)計(jì)工程師把大量的努力用在如何保障建筑物在正常使用階段安全可靠的工作上。雖然施工建造階段存在大量的未知不定性,但在該方面的研究工作卻相對(duì)較少。對(duì)于一般性建筑物來(lái)說(shuō),建造時(shí)間一般為一到兩年,其使用壽命大致為五十年左右,然而,據(jù)統(tǒng)計(jì)。事故絕大多數(shù)發(fā)生在建筑施工階段,其中橋梁支架、模板架這些臨時(shí)輔助施工設(shè)施的坍塌是事故發(fā)生的主要原因?？梢?對(duì)施工過(guò)程中橋梁支架體系的研究是一項(xiàng)必要、迫切和重要的工作。

鋼管支架大致可分為固定式組合支架、移動(dòng)式支架和吊支架三大類, 其中固定式組合支架又包括鋼管支架和框式支架兩大類。本文主要介紹的扣件式鋼管支架由鋼管和扣件組成、具有加工簡(jiǎn)便、搬運(yùn)方便、通用性強(qiáng)等特點(diǎn),已成為當(dāng)前我國(guó)使用量最大、應(yīng)用最普遍的一種支架,占支架使用總量的左右,在今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),這種支架仍占主導(dǎo)地位。但是, 這種支架的安全保證性較差,施工工效低,不能滿足高層建筑施工的發(fā)展需要。

在鋼管支架不斷完善和發(fā)展的同時(shí),橋梁支架以其施工簡(jiǎn)便快捷、整體性好等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用于橋梁施工過(guò)程中,但同時(shí)也伴隨著一個(gè)日趨突出的問(wèn)題一支架倒塌問(wèn)題,近年來(lái),一些地區(qū)多次發(fā)生施工過(guò)程中鋼管支架倒塌的重大工程事故,造成人員和財(cái)產(chǎn)的巨大損失,產(chǎn)生了惡劣的社會(huì)影響,因此,有必要對(duì)橋梁支架進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

牛津大學(xué)編制了計(jì)算腳手架穩(wěn)定特征值程序且有不少國(guó)家已在不同程度上規(guī)定了考慮材料進(jìn)入彈塑性的方法,同時(shí)也考慮了初始缺陷及風(fēng)荷載的影響。日本曾對(duì)門式鋼管腳手架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)分析,并編制了安全技術(shù)規(guī)程。他們主要從單跨入手,對(duì)單層,2層,3層,5層進(jìn)行了試驗(yàn)分析,得到了基本的壓屈形態(tài)及極限承載力,同時(shí)還給出了計(jì)算單榀門架壓屈承載力的方法。

英國(guó)的Godley比較了二維模型和三維模型對(duì)計(jì)算腳手架剛度的影響程度,指出節(jié)點(diǎn)半剛性的考慮對(duì)腳手架動(dòng)力特性研究的重要性。后來(lái),Godley在計(jì)算腳手架系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行了二階幾何非線性分析并考慮使用節(jié)點(diǎn)非線性模型。美國(guó)的Weesner和Jones對(duì)四種不同形式的高度為5米的承重腳手架進(jìn)行了極限承載力試驗(yàn)研究并與利用有限元軟件ANSYS得到的腳手架特征值屈曲荷載和幾何非線性分析結(jié)果加以分析對(duì)比,認(rèn)為幾何非線性分析得到的極限承載力數(shù)值低于特征值屈曲荷載,但與試驗(yàn)數(shù)值相近。

1989年,哈爾濱建筑工程學(xué)院徐崇寶教授等對(duì)雙排扣件式鋼管腳手架工作性能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。

2007年,北京交通大學(xué)碩士研究生王勇對(duì)超高扣件式鋼管模板支架安全性進(jìn)行了分析。

2007年,浙江大學(xué)碩士研究生胡凱山對(duì)扣件式鋼管模板支撐架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

2009年,天津大學(xué)和《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》的編制組對(duì)扣件式鋼管支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究工作,給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉O限承載力。

第2章 ANSYS中的屈曲分析

2.1 屈曲分析的概念

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變的不穩(wěn)定時(shí)的臨界荷載和屈曲模態(tài)形狀(結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲響應(yīng)時(shí)的特征形狀)的技術(shù)。ANSYS提供了兩種結(jié)構(gòu)屈曲荷載和屈曲模態(tài)的分析方法:非線性屈曲分析和特征值(線性)屈曲分析,這兩種方法通常得到不同的結(jié)果。非線性屈曲分析比線性屈曲分析更精確,故常用于對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或計(jì)算。該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術(shù)來(lái)求得使結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷(圖2-1a)。應(yīng)用非線性技術(shù),模型中就可以包括諸如初始缺陷、塑性、間隙、大變形響應(yīng)等特征。此外,使用偏離控制加載,還可以跟蹤結(jié)構(gòu)的后屈曲行為。特征值屈曲分析用于預(yù)測(cè)一個(gè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度(分叉點(diǎn))(圖2-1b)。該方法相當(dāng)于彈性屈曲分析方法。例如,一個(gè)柱體結(jié)構(gòu)的特征值屈曲分析的結(jié)果,將與經(jīng)典歐拉解相當(dāng)。但是,初始缺陷和非線性使得很多實(shí)際結(jié)構(gòu)都不是在其理論彈性屈曲強(qiáng)度處發(fā)生屈曲。

因此,特征值屈曲分析經(jīng)常得出非保守結(jié)果,通常不能用于實(shí)際的工程分析。

2.2 特征值屈曲分析

特征值屈曲按如下步驟進(jìn)行分析:1、建立模型;2、獲得靜力解;3、獲得特征值屈曲解;4、展開解;5、觀察結(jié)果。

1)建立模型

定義作業(yè)名和分析標(biāo)題,使用前處理器定義單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料性質(zhì)、模型幾何實(shí)體。建模過(guò)程中應(yīng)注意:只允許線性行為,如果定義了非線性單元,則將按線性單元對(duì)待;必須定義材料的彈性模量 EX。材料性質(zhì)可以是線性、各向同性或各向異性,恒值或與溫度相關(guān)。

2)獲得靜力解

該過(guò)程與一般靜力分析過(guò)程一致,但要注意:必須激活預(yù)應(yīng)力影響[PSTRES],因?yàn)樵摲治鲂枰?jì)算應(yīng)力剛度矩陣;通常只要施加一個(gè)單位載荷就足夠了。由屈曲分析計(jì)算出的特征值,表示屈曲載荷系數(shù)。因此,若施加的是單位載荷,則該特征值就表示實(shí)際的屈曲載荷。

3)獲得特征值屈曲解

步驟為:1.進(jìn)入 ANSYS 求解器;2.定義分析類型和分析選項(xiàng);3.定義荷載步選項(xiàng);4.開始求解;5.退出求解器。

4)展開解

要觀察屈曲模態(tài),需對(duì)解進(jìn)行展開。

2.3 非線性屈曲分析

非線性屈曲分析是在大變形效應(yīng)開關(guān)打開的情況下[NIGEOM,ON]的一種靜力分析,該分析過(guò)程一直進(jìn)行到結(jié)構(gòu)的極限載荷或最大載荷。其它諸如塑性等非線性也可以包括在分析中。

在進(jìn)行非線性的屈曲分析時(shí),分析過(guò)程與一般的非線性分析過(guò)程相同。采用一系列子步以增量加載的方式施加一給定載荷直到求解發(fā)散。在很多情況下,為了有助于計(jì)算,應(yīng)在模型上施加一初始缺陷(擾動(dòng))。預(yù)先進(jìn)行一個(gè)特征值分析有助于非線性屈曲分析,特征值屈曲載荷是預(yù)期的線性屈曲載荷的上限,可以作為非線性屈曲分析的給定載荷,特征矢量屈曲形狀可以作為施加初始缺陷或擾動(dòng)載荷的根據(jù)。

以特征值的屈曲形狀為基礎(chǔ)定義初始幾何缺陷的步驟如下:

1.建立沒(méi)有初始幾何缺陷的模型。

2.進(jìn)行特征值屈曲分析。

3.用 UPGEOM 或 UPCOORD 命令來(lái)施加幾何缺陷。

4.進(jìn)行非線性屈曲分析。

第 3 章支架結(jié)構(gòu)體系在 ANSYS 軟件中的實(shí)現(xiàn)

3.1 ANSYS中的單元模型

建模時(shí),采用pipe16單元來(lái)模擬支架結(jié)構(gòu)中的各種桿件,用link180單元來(lái)模擬交叉支撐,用 combin14 單元來(lái)模擬其中的半剛性連接節(jié)點(diǎn)。

(1)pipe16 單元:pipe16 是一種單軸單元,具有拉壓、扭轉(zhuǎn)、和彎曲性能。該單元在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)上有 6 個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn) X,Y,Z 方向的平移和繞結(jié)點(diǎn) X,Y,Z 軸的旋轉(zhuǎn)(圖3-1)。這個(gè)單元是建立在三維梁?jiǎn)卧A(chǔ)之上的,建模時(shí)可以直接輸入鋼管的內(nèi)外徑以及其他的實(shí)常數(shù)。支架中的桿件都是受壓和受彎構(gòu)件,因此可以用 pipe16 單元來(lái)模擬。

圖3-1

(2)link180單元:link180單元是一種能應(yīng)用于多種工程實(shí)際的桿單元,能被應(yīng)用于桁架,垂纜,桿件,彈簧等。這個(gè)三維的桿單元只能承受單軸的拉壓,每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度:X,Y和Z方向的位移(圖3-2)。交叉支撐與門架立桿的連接為輥軸連接,只承受拉力或壓力,因此,用 link180單元來(lái)模擬。

圖3-2

(3)combin14 單元:combinl4 單元是一個(gè)具有非線性功能的單向單元,在一維、二維和三維的應(yīng)用中,本單元都有軸向或扭轉(zhuǎn)功能。軸向選項(xiàng)代表軸向拉壓?jiǎn)卧?每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有 3 個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X,Y,Z的平動(dòng),不考慮彎曲和扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)選項(xiàng)代表純扭單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)也具有三個(gè)自由度:繞節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)軸X,Y,Z的轉(zhuǎn)動(dòng),不考慮彎曲和軸向荷載(圖3-3)

圖3-3

3.2 材料的本構(gòu)關(guān)系

一個(gè)力學(xué)問(wèn)題需要滿足三個(gè)條件:平衡條件、幾何條件以及材料的本構(gòu)關(guān)系。在平衡條件中,建立的方程可以將一個(gè)物體內(nèi)部的應(yīng)力與體力和作用在物體表面的外力聯(lián)系起來(lái),在非線性問(wèn)題中,這些方程通常含有應(yīng)力和位移。在幾何條件中,建立的方程可以將物體內(nèi)部的應(yīng)變與物體的位移聯(lián)系起來(lái)。顯然,上述的平衡方程和運(yùn)動(dòng)方程與組成物體的特定材料無(wú)關(guān),這些材料的影響由本構(gòu)方程來(lái)表示,最常用的一種本構(gòu)關(guān)系就是應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。可以這樣說(shuō),是應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系把平衡方程條件和幾何方程條件聯(lián)系起來(lái),由這三種條件建立的方程表示了固體力學(xué)對(duì)自然規(guī)律的解答。本文所選用的鋼材本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性,本構(gòu)關(guān)系如圖3-4所示。

該曲線由鋼材的彈性模量 E,單軸屈服應(yīng)力 fy 來(lái)確定,鋼材服從 Von-Mises屈服準(zhǔn)則,鋼材泊松比取 v=0.3 ,屈服強(qiáng)度為fy=235MPa ,彈性模量E=2.06e5MPa,屈服段的斜率取為 0。

支架結(jié)構(gòu)中桿件的初始缺陷和扣件的連接質(zhì)量差異都很大,對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能有重要影響,不能忽略。因此在分析支架體系的極限承載力時(shí),應(yīng)對(duì)具有幾何缺陷的鋼管支架體系進(jìn)行非線性分析。模擬幾何缺陷一般有三種考慮方法,(1)是在結(jié)構(gòu)上施加一個(gè)適時(shí)的瞬時(shí)面外作用,以激發(fā)屈曲響應(yīng);(2)是在建立模型時(shí)假設(shè)幾何初始缺陷;(3)先進(jìn)行特征值屈曲分析,找出結(jié)構(gòu)最容易的變形形態(tài),然后提取結(jié)構(gòu)的微小變形來(lái)模擬初始缺陷,再進(jìn)行非線性屈曲分析。本文鋼管支架的有限元分析采用第三種方法來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷。

第 4 章扣件式鋼管支架體系中支撐作用分析

為分析豎向支撐對(duì)支架承載力的影響,參考規(guī)范中磨板支架結(jié)構(gòu)體系的搭設(shè)方法,本文共建立三個(gè)不同豎向支撐形式的2列6跨4步(7.2m × 2.4m × 6m)的扣件式支架模型(圖4-1,圖4-2,圖4-3)。

分析所建扣件式鋼管支架有限元模型的計(jì)算結(jié)果,可知扣件式鋼管支架的失穩(wěn)形式是支架結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn),其模態(tài)與豎向斜撐的設(shè)置方式有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),扣件式鋼管支架發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí),其對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)根據(jù)豎向剪刀撐的設(shè)置不同,發(fā)生若干步距的半波失穩(wěn)。

豎向剪刀撐是扣件式鋼管支架結(jié)構(gòu)體系的重要構(gòu)件,具有不同豎向剪刀撐布置方式的支架每根立桿的穩(wěn)定極限承載力見表4-4

圖4-1

圖4-2

圖4-3

編號(hào)	支撐情況	極限承載力	結(jié)果對(duì)比
1	不設(shè)豎向支撐	13.02
2	豎向單向支撐	14.39	10.5%
3	豎向交叉支撐	16.34	25.5%

表4-4 不同豎向支撐形式對(duì)支架極限承載力的影響

豎向支撐是扣件式鋼管支架體系的重要組成部分,決定了體系的側(cè)向剛度和失穩(wěn)模態(tài),對(duì)整個(gè)支架的受力性能有很大影響,豎向支撐單向設(shè)置比不設(shè)支撐的極限承載力提高大約10%,而豎向交叉支撐又比單向支撐的極限承載力提高了15%,可見扣件式鋼管支架中豎向支撐的設(shè)置方式對(duì)其的受力性能有明顯的影響,為提高支架的安全性,不建議采用降低豎向剪刀撐側(cè)向剛度的布置方式

本章利用 ANSYS 有限元軟件對(duì)扣件式剛管支架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了計(jì)算分析,主要工作有:總結(jié)了扣件式鋼管支架的失穩(wěn)模態(tài)及其影響因素;分析了水平剪刀撐,豎向剪刀撐對(duì)支架結(jié)構(gòu)體系受力性能的影響。得到的結(jié)論有:扣件式鋼管支架的失穩(wěn)模態(tài)由豎向斜撐的設(shè)置方式?jīng)Q定,而失穩(wěn)模態(tài)又決定了整個(gè)扣件式支架體系的極限承載力;扣件剛度對(duì)支架體系的極限承載力有一定影響;水平斜撐的設(shè)置對(duì)支架體系極限承載力的影響不顯著;豎向斜撐的設(shè)置方式?jīng)Q定了支架體系的極限承載力;豎向斜撐單向設(shè)置對(duì)支架體系的承載力有一定影響。

第 5 章結(jié)論和建議

通過(guò)改變豎向剪刀撐的設(shè)置形式,可以改變扣件式鋼管支架體系的失穩(wěn)模態(tài),從而達(dá)到提高支架體系承載力的目的。因此,在實(shí)際搭設(shè)扣件式鋼管支架體系時(shí),應(yīng)設(shè)法通過(guò)豎向斜撐的設(shè)置,提高體系的側(cè)向剛度,打亂體系易發(fā)生的半波失穩(wěn)模式,使各立桿失穩(wěn)形式一致性較差,變形相互牽制。此外,由于豎向斜撐是扣件式鋼管支架的主要側(cè)向支撐,單向設(shè)置的豎向斜撐會(huì)對(duì)支架體系的受力性能有一定影響,因此不建議豎向斜撐單向設(shè)置,應(yīng)按傳統(tǒng)的交叉設(shè)置剪刀撐的方式搭設(shè)。

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