ANSYS預應力施加方法在工程分析中的應用

2013-08-14 by:廣州CAE有限元應用中心來源:仿真在線

1 ANSYS在土木工程中的應用

ANSYS軟件作為一個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在鋼結構和鋼筋混凝土建筑、體育場館、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用,可以對這些結構在各種外荷載條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動力特性做出全面分析,從力學計算、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大而且全方面的分析手段。ANSYS在中國的很多大型土木工程中都得到了應用,如廣州的金貿大廈、國家大劇院、佛山世紀蓮體育中心、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軟件進行有限元仿真分析。

2 ANSYS中預應力拉索的處理

ANSYS中的link10單元是空間三維桿單元,每個節(jié)點有三個自由度X,Y,Z。沒有彎曲剛度,但有應力剛化和大變形能力?？赏ㄟ^輸入?yún)?shù)項里的option 選項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候可以用給拉索施加初始應變的方法來對拉索施加預應力,但經計算后發(fā)現(xiàn),拉索的預應力值不是人們所預想的而是比計劃的預應力小,這是由于給結構施加預應力后結構變形產生了預應力變化而導致的,要避免這種情況,真實地模擬實際的狀態(tài),利用ANSYS中單元死活的方法會比較好的解決這個問題。

在ANSYS中,“殺死”一個單元并不是將一個單元移除,而是把剛度、質量和單元荷載設為一個相當小的數(shù)值,這樣所產生的效果就是移除這個單元時所得到的計算結果。當單元被激活時,它的剛度、質量和單元荷載返回原始值,但沒有應變歷史的記錄。然而,以實常數(shù)形式定義的初應變則不受單元死活選項的影響,當大變形效應開關打開時(NLGEOM,ON),為了與當前的節(jié)點位置相匹配,單元的形狀被改變。這樣,可利用hnk10單元的初應變選項和死活單元的特性來實現(xiàn)索力的初始張拉力和索力的調整。

3.1 工程簡介

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構,其主場館跨度為160mx110m。屋架構件由鋼支座、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設置環(huán)向上擦條,周邊端開間設交叉鋼索支撐,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 的預應力。

3.2 ANSYS中單元的選取和劃分

經過對此網(wǎng)架結構的受力特點進行初步分析,因每根桿件的受力特點均以拉壓為主,所受彎矩較小,所以桿件采用beam189單元進行模擬,這個單元是3d桿單元,具有3個節(jié)點,每個節(jié)點有6個自由度,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。

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

3.3 建模技巧和方法

本模型全部采用APDL語言建模,與GUI方式相比APDL有著其獨特的優(yōu)點,APDL可以通過變量與循環(huán)來控制所生成的點、線、面,使得一些重復的勞動得以避免,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,先通過簡單的循環(huán)建立生成單福的輻射析架的命令流,后將這段命令流進行循環(huán),通過在循環(huán)過程中代人不同的輻射析架底端點生成其他的輻射析架。用這種方法,不但減少了大量的重復勞動,而且可以嚴密地控制節(jié)點編號,為以后荷載的施加創(chuàng)造了良好的條件。

3.4 分析結果

3.4.1 模態(tài)分析

通過模態(tài)分析計算得到結構的固有頻率如表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
對結構施加恒載、活載、風荷載,得到該種工況下的內力,而溫度則作為一種單獨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 動力分析

對于大規(guī)模的空間結構,屋蓋自由度很多,利用振型分解反應譜法計算時先采用Block Lanczos法求出前108階振型,然后用CQC法藕合得到地震反應。輸人的反應譜為地震反應譜,地震影響系數(shù)。借鑒JGJ99-98高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程的。曲線確定,amax取7度基本烈度所對應的值。經計算,采用振型分解反應譜法計算所得的地震作用下,桿件內力小于風荷載作用下的桿件內力,風荷載所引起的桿件內力在規(guī)范允許的范圍內。

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