ANSYS預(yù)應(yīng)力施加方法在工程分析中的應(yīng)用

2013-08-14 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心來(lái)源:仿真在線

1 ANSYS在土木工程中的應(yīng)用

ANSYS軟件作為一個(gè)大型通用有限元分析軟件,現(xiàn)已成為土木建筑行業(yè)CAE仿真軟件的主流。ANSYS在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土建筑、體育場(chǎng)館、橋梁、大壩、隧道以及地下建筑分析等工程中得到了廣泛的應(yīng)用,可以對(duì)這些結(jié)構(gòu)在各種外荷載條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動(dòng)力特性做出全面分析,從力學(xué)計(jì)算、組合分析等方面提出了全面的解決方案,為土木工程師提供了強(qiáng)大而且全方面的分析手段。ANSYS在中國(guó)的很多大型土木工程中都得到了應(yīng)用,如廣州的金貿(mào)大廈、國(guó)家大劇院、佛山世紀(jì)蓮體育中心、廣州科技館太空城、廣州體育館、黃河下游特大型公路斜拉橋等都利用了ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真分析。

2 ANSYS中預(yù)應(yīng)力拉索的處理

ANSYS中的link10單元是空間三維桿單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度X,Y,Z。沒(méi)有彎曲剛度,但有應(yīng)力剛化和大變形能力?？赏ㄟ^(guò)輸入?yún)?shù)項(xiàng)里的option 選項(xiàng)控制桿單元只受拉或只受壓,很適合模擬索單元(只受拉)或模板支撐(只受壓)。雖然在模擬拉索的時(shí)候可以用給拉索施加初始應(yīng)變的方法來(lái)對(duì)拉索施加預(yù)應(yīng)力,但經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn),拉索的預(yù)應(yīng)力值不是人們所預(yù)想的而是比計(jì)劃的預(yù)應(yīng)力小,這是由于給結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力后結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力變化而導(dǎo)致的,要避免這種情況,真實(shí)地模擬實(shí)際的狀態(tài),利用ANSYS中單元死活的方法會(huì)比較好的解決這個(gè)問(wèn)題。

在ANSYS中,“殺死”一個(gè)單元并不是將一個(gè)單元移除,而是把剛度、質(zhì)量和單元荷載設(shè)為一個(gè)相當(dāng)小的數(shù)值,這樣所產(chǎn)生的效果就是移除這個(gè)單元時(shí)所得到的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)單元被激活時(shí),它的剛度、質(zhì)量和單元荷載返回原始值,但沒(méi)有應(yīng)變歷史的記錄。然而,以實(shí)常數(shù)形式定義的初應(yīng)變則不受單元死活選項(xiàng)的影響,當(dāng)大變形效應(yīng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)(NLGEOM,ON),為了與當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)位置相匹配,單元的形狀被改變。這樣,可利用hnk10單元的初應(yīng)變選項(xiàng)和死活單元的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)索力的初始張拉力和索力的調(diào)整。

3.1 工程簡(jiǎn)介

廣州體育館屋蓋為大跨度空間析架十交叉支撐拉索輕型鋼結(jié)構(gòu),其主場(chǎng)館跨度為160mx110m。屋架構(gòu)件由鋼支座、縱向主析架、輻射析架、周邊箱形水平鋼環(huán)梁、鋼擦條及支撐拉索組成,輻射析架上端與主析架閉合框焊接,下端用端板與周邊鋼環(huán)梁連接。屋蓋上弦面間距10m設(shè)置環(huán)向上擦條,周邊端開(kāi)間設(shè)交叉鋼索支撐,上弦面另有4道徑向水平交叉鋼索支撐,輻射析架間在上弦主擦條位置加設(shè)環(huán)向垂直交叉鋼索支撐,所有交叉鋼索均施加25 kN-40 kN 的預(yù)應(yīng)力。

3.2 ANSYS中單元的選取和劃分

經(jīng)過(guò)對(duì)此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行初步分析,因每根桿件的受力特點(diǎn)均以拉壓為主,所受彎矩較小,所以桿件采用beam189單元進(jìn)行模擬,這個(gè)單元是3d桿單元,具有3個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度,采用鐵木辛柯梁理論,可以選擇截面的形狀。拉索單元采用link10單元。

由于結(jié)構(gòu)采用抗震支座,抗震支座要滿足切向剛度和阻尼的要求,所以用儀爪combin14單元來(lái)模擬支座,combin14是空間兩節(jié)點(diǎn)的彈簧單元,可以自由設(shè)置剛度與阻尼特性。

3.3 建模技巧和方法

本模型全部采用APDL語(yǔ)言建模,與GUI方式相比APDL有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),APDL可以通過(guò)變量與循環(huán)來(lái)控制所生成的點(diǎn)、線、面,使得一些重復(fù)的勞動(dòng)得以避免,大大地加快了模型的輸入速度。該工程中輻射析架的分布非常地有規(guī)律,所以采取了循環(huán)控制的建模方式,先通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)建立生成單福的輻射析架的命令流,后將這段命令流進(jìn)行循環(huán),通過(guò)在循環(huán)過(guò)程中代人不同的輻射析架底端點(diǎn)生成其他的輻射析架。用這種方法,不但減少了大量的重復(fù)勞動(dòng),而且可以嚴(yán)密地控制節(jié)點(diǎn)編號(hào),為以后荷載的施加創(chuàng)造了良好的條件。

3.4 分析結(jié)果

3.4.1 模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的固有頻率如表1所示,第一階振型表現(xiàn)為主析架的彎曲模態(tài)。

3.4.2 靜力分析
對(duì)結(jié)構(gòu)施加恒載、活載、風(fēng)荷載,得到該種工況下的內(nèi)力,而溫度則作為一種單獨(dú)的活載工況施加于屋蓋上。在恒載和滿布活載作用下,輻射析架上弦桿以受壓為主,屋蓋兩端部輻射析架R12,RT3,RT4和RT38,RT39,RT40下弦桿全部受壓,其他輻射析架下弦桿則在靠近屋脊和環(huán)梁部分受壓,中間部分受拉。但在風(fēng)荷載和半邊活載共同作用下,各棍輻射銜架下弦桿則全部受壓。

3.4.3 動(dòng)力分析

對(duì)于大規(guī)模的空間結(jié)構(gòu),屋蓋自由度很多,利用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算時(shí)先采用Block Lanczos法求出前108階振型,然后用CQC法藕合得到地震反應(yīng)。輸人的反應(yīng)譜為地震反應(yīng)譜,地震影響系數(shù)。借鑒JGJ99-98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的。曲線確定,amax取7度基本烈度所對(duì)應(yīng)的值。經(jīng)計(jì)算,采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得的地震作用下,桿件內(nèi)力小于風(fēng)荷載作用下的桿件內(nèi)力,風(fēng)荷載所引起的桿件內(nèi)力在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

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