木結(jié)構(gòu)的整體有限元分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1.引言
對(duì)這些古建筑的動(dòng)力特性的研究,從七十年代就已經(jīng)開(kāi)始了,但是由于技術(shù)的限制,這些研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。隨著社會(huì)的進(jìn)步,人們也開(kāi)始對(duì)古建筑的維護(hù)投入了更多的關(guān)注。因此對(duì)古建筑的研究也要求進(jìn)一步的深入。
2.木結(jié)構(gòu)整體有限元分析方法
早在1994年Kasal[1]等就利用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS對(duì)一層木框架房屋進(jìn)線性的靜力分析。在此模型中,剪力墻被簡(jiǎn)華成由剛性桿和斜向彈簧組成的桁架模型線性由斜向彈簧的單元特性來(lái)實(shí)現(xiàn),而屋面和樓板被簡(jiǎn)化為超級(jí)單元。
2001年,由Slovenia的研究小組提出的Slovenia模型[2][3]將木結(jié)構(gòu)房屋的整體分三個(gè)階段:釘連接模型一墻體模型一木結(jié)構(gòu)房屋整體模型。其研究思路為:先根據(jù)D分析剪力墻所得的滯回曲線,將每片墻簡(jiǎn)化成一個(gè)等效支撐框架。定義斜撐單元的參模型的滯回曲線擬合而得到,并采用CANNY-E(采用Newmark算法)程序?qū)φw行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。
3.木結(jié)構(gòu)的整體有限元分析
3.1 足尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣r
本文以日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所兵庫(kù)抗震工程研究中心進(jìn)行的足尺寸木結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)為原型進(jìn)行有限元分析。該振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)主要研究帶墻體覆面板結(jié)構(gòu)自振以及在不同地震波程度下的動(dòng)力特性。模型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置層高為2.93m,柱橫向間距和縱向間距均為1.92m,采用以杉木為原材料的木框架結(jié)構(gòu)。柱截面和基礎(chǔ)梁截面均為120mm×120mm,屋面外框梁截面120mm×270mm,次梁截面為120mm×210mm,其梁和柱均為榫卯連接,墻面板為干式土壁覆面板。
3.2 有限元計(jì)算模型
本工作希望從數(shù)值方法出發(fā),用簡(jiǎn)單有效的方法,建立木結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型,對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算模擬,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)判模型。
建立的有限元計(jì)算模型主要包括以下幾個(gè)方面:
(1)基礎(chǔ)模擬。地震波在地表傳播時(shí),地基是一個(gè)變形體,地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)處各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是不同的。但是,對(duì)于一般建筑物,其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于地震波的波長(zhǎng)(它和場(chǎng)地介質(zhì)的情況有關(guān)),因此通常情況下將建筑物的地基近似看作剛性盤體是合理的[8]。因此在本次實(shí)驗(yàn)中,基礎(chǔ)梁是固定在振動(dòng)臺(tái)上,計(jì)算模型中假定基礎(chǔ)為剛性連接。
(2)木框架模擬。實(shí)驗(yàn)中的木結(jié)構(gòu)框架可視為一種梁柱結(jié)構(gòu)體系。梁柱之間上下叉接,左右卡連,如圖3所示是實(shí)驗(yàn)中梁柱榫卯連接。榫卯連接是介于剛接與鉸接之間的半剛性連接,在進(jìn)行有限元分析時(shí),通常的方法是用空間二節(jié)點(diǎn)虛擬彈簧單元來(lái)模擬這種半剛性連接性質(zhì)。在同一空間位置的梁柱各端部節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)梁柱構(gòu)件各自對(duì)應(yīng),并選擇合適的自由度賦予彈簧剛度參數(shù),形成半剛性連接[5]。因此,在計(jì)算模型中,柱一柱、梁一梁和梁一柱之間用彈簧單元來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間半剛性的連接。
考慮到木構(gòu)架材質(zhì)主要發(fā)揮其順紋力學(xué)性質(zhì),可以將材料近似看作各向同性。參考文獻(xiàn)[4]本文采用的木構(gòu)架材料彈性模量15.5×109Pa,密度為3766kg/m3,泊松比0.25。
(3)屋面板單元。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭形菝鎰偠群艽?可以認(rèn)為是剛性的,因此用Shell63單元固接在屋面梁上模擬。屋面上的配重在剪力有限元模擬過(guò)程中,利用質(zhì)量單元Mass21模擬,將屋蓋配重按面積等效原則集中到柱頂位置,而不是單純用荷載代替,以免對(duì)慣性力的動(dòng)力效應(yīng)考慮不充分。
(4)墻體模擬。本模型中,雖然隔墻并非豎向承重構(gòu)件,故不是真正意義上的剪力墻,但是其由墻骨架及面板組成的墻面板體系,對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力的影響不能忽略,尤其在水平荷載作用下,會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),需要考慮墻體的影響。本文結(jié)合參考Slovenia模型和同濟(jì)大學(xué)的博士[3]的模型,采用等效桁架模型來(lái)簡(jiǎn)化木結(jié)構(gòu)剪力墻,如圖4所示。斜向支撐單元采用定義為剛性Link8單元及Combin39單元組合而成,根據(jù)下節(jié)有限元模擬墻體所得的荷載變形曲線定義彈簧單元參數(shù)。
3.3 墻體有限元模型計(jì)算
3.2.1計(jì)算模型的建立
如前節(jié)所述,為得到木結(jié)構(gòu)墻體荷載—位移曲線的全過(guò)程,本文先模擬單片墻體的抗側(cè)移性能:在ANSYS非線性靜力計(jì)算中,采用Solid64、Shell63、Combin39這3種單元分別模擬剪力墻中的木構(gòu)架、覆面板、釘節(jié)點(diǎn)參數(shù)[3],并采用分級(jí)加載的方法對(duì)墻體進(jìn)行加載。
3.2.2 墻體有限元分析結(jié)果
本模型木結(jié)構(gòu)墻進(jìn)行有限元分析所得的當(dāng)頂端產(chǎn)生100mm側(cè)向變形時(shí),墻體以及覆面板的變形云圖。采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析所得的木結(jié)構(gòu)剪力墻側(cè)向荷載-位移曲線與足尺寸試驗(yàn)曲線的比較見(jiàn)圖7。從圖7中可看出本文的有限元分析能較好地模擬規(guī)則木結(jié)構(gòu)剪力墻在單調(diào)側(cè)向加載時(shí)的側(cè)向荷載-位移曲線。
4.有限元時(shí)程分析
4.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
結(jié)構(gòu)體系的振型、自振頻率與自振周期是結(jié)構(gòu)的固有特性,是反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的重要參數(shù)。本文中模態(tài)的提取方法為子空間法;指定提取模態(tài)數(shù)為10。通過(guò)模態(tài)分析可以進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的前三階頻率值及振型情況如表2所示。
從以上數(shù)據(jù)可以看出,本文計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率與實(shí)驗(yàn)所得的振型和固有頻率比較接近。從結(jié)果分析,模型中X方向的抗側(cè)移剛度明顯大于Y方向,因此模型的一階平動(dòng)振型為Y向一階平動(dòng)。由于木結(jié)構(gòu)墻體的布置,使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn),所以在ANSYS分析中第三階以及實(shí)驗(yàn)中都出現(xiàn)了一階整體扭轉(zhuǎn)。
4.2 時(shí)程分析
在振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中,模型的短手方向(Y方向)為主要的加振方向。地震波采用日本建筑中心模擬波(BCJ-L2),其原始波形為最大加速度8900px/s2,波形約為0~60秒。可以看出,0.2g和0.3g的地震實(shí)驗(yàn)和有限元模擬中,加速度峰值的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值誤差在20%以內(nèi),但是0.1g的系列中,誤差達(dá)到15%~35%?？偟泌厔?shì)上,計(jì)算結(jié)構(gòu)小于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)模型經(jīng)歷了一系列的地震實(shí)驗(yàn)后,發(fā)生了一些可見(jiàn)或者不可見(jiàn)的損傷,造成結(jié)構(gòu)的剛度下降,自振周期變大,加速度反應(yīng)也逐漸變大,但是在ANSYS進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí),并未考慮多次地震造成的剛度折減,因此計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值相比較偏小是比較合理的。
由加速度時(shí)程曲線可以看出,屋面板處加速度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值比較接近,誤差僅僅為5%左右,時(shí)程曲線的形狀也吻合得很好。由此可見(jiàn),采用本文的模型模擬的加速度時(shí)程曲線和實(shí)驗(yàn)值相差不大。
5.結(jié)論
本文利用ANSYS軟件對(duì)帶覆面板的榫卯木結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。文中將榫卯節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為半剛性連接,用彈簧單元來(lái)模擬,覆面板則簡(jiǎn)化為等效的桁架模型,得出了模態(tài)下的固有頻率及振型,動(dòng)力分析下的加速度時(shí)程曲線。文中通過(guò)將有限元分析結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),正式采用文中的方法可以較好的模擬分析木結(jié)構(gòu)的整體性能。