某奧運場館結構的靜力及模態(tài)分析

2013-05-03 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

某奧運場館結構的靜力及模態(tài)分析

王澤強
中國礦業(yè)大學力建學院,100083

秦杰錢英欣
北京市建筑工程研究院,100039

[ 摘要 ] 某奧運場館平面近似橢圓,長軸144米,短軸130米,總高度13.04米。規(guī)模較大,結構復雜,用一般的軟件很難得到滿意的結果,為此使用了大型結構分析軟件——ANSYS8.0對建筑結構進行了合理的建模,并對其進行了靜力和模態(tài)分析,在靜力分析中進行了各種荷載組合,得出了梁、柱、墻、板等構件的變形、軸力、彎矩等結果,提出了該結構的薄弱構件,對結構設計有一定的參考價值;并得出了該結構的前40階頻率和振型,并對振型特點進行了分析。

[ 關鍵詞 ] ANSYS靜力分析模態(tài)分析

The Static and Modle Analysis of an Olympic Games Stadim

Wang Zeqiang
China University of Mining and Technology in Bei Jing,100083

Qin Jie Qian Yingxin
Beijing Building Construction Research Institute,100039

[ Abstract ] The plane of a Olympics building looks like oval. The length of major axis is 144 meter.The length of minor axis is 130 meter. And the length of height is 13.04 meter. The scale is large and the construction is complicated. It is not satisfied with using the general software,so a reasnoble modeling is created by large-scale structure analysis softwear-ANSYS8.0. The static and mode anlysis is carried out for the structure.All kinds of loads are assembled in the static anlysis.The distortion,axial force,moment of flexion results of beam,pile,wall and plate are acquired.And the weak components in structure design are pointed out.It will be of benefit to structure desigen.At the same time,the preceding 40 frequencies and vibration patterns are also obtained and the trait of vibration patterns is analysed.

[ Keyword ] ANSYS Static Analysis Modal Analysis

1 前言

該奧運場館規(guī)劃用地面積約6.65公頃,建筑面積3.2萬平方米,可容納觀眾6000人。

一層包括正對主場館直徑132m的圓盤下方、東側擴展為矩形的群房及向北延伸的單層條形部分,本層集中了除賽場以外的絕大部分管理、接待、辦公、休息、技術支持、設備機房及交通輔助部分。二層是馬鞍形主賽場,中間為內場及環(huán)繞內場的木質賽道。在賽場7.5米標高處設置有環(huán)形的休息大廳,休息大廳周邊均勻地布置了作為賽場垂直交通樞紐的樓梯、電梯、衛(wèi)生間等用房。該場館平面近似橢圓,長軸144米,短軸130米,總高度13.04米。規(guī)模較大,結構復雜,用一般的軟件很難得到滿意的結果,為此使用了大型結構分析軟件——ANSYS8.0對建筑結構進行了合理的建模,并對其進行了靜力和模態(tài)分析,在靜力分析中進行了各種荷載組合,得出了梁、柱、墻、板等構件的變形、軸力、彎矩等結果,提出了該結構的薄弱構件,對結構設計有一定的參考價值;并得出了該結構的前40階頻率和振型,并對振型特點進行了分析。

2 結構分析模型的建立

計算模型正確與否是進行有限元計算的首要問題,由于該結構體形復雜,不能采用常規(guī)的結構方法對該奧運場館進行簡化計算,另一方面也不允許對結構做太大的簡化。為了確保模型符合實際,采取了如下措施:

(1) 幾何尺寸的準確是建模中最基本也是最重要的一步,我們根據(jù)設計圖紙,利用AUTOCAD程序將PKPM生成的圖形文件進行修改,將雙線梁取其中線,柱子取其中心,并相應的生成單線柱。在AUTOCAD中盡量保證計算模型符合實際情況的前提下,建立了該模型的三維圖形。

(2) 單元的選取與網(wǎng)格的劃分:選用了高精度的單元類型,采用不同的單元類型:
梁、柱采用Beam188,樓板采用Shell63,并采用Surf154來加豎向荷載,各種單元類型適用結構的不同受力和變形特點,網(wǎng)格劃分盡量采用高精度的網(wǎng)格形式。

(3) 計算模型的規(guī)模:建模過程中,采用隨建隨校核的方法,最后建成一個總質量
為2.0847×104?,具有41938個單元、34種截面類型、147564個自由度的三維分析模型。如圖1所示:

某奧運場館結構的靜力及模態(tài)分析+應用技術圖片圖片1

3 靜力分析計算

根據(jù)設計院提供的結構荷載信息,包括恒載和活載,該結構由于外部結構直接作用于基礎連續(xù)梁墻上,所以不考慮風荷載和雪荷載對內部結構的作用。當非抗震設計時,效應組合可分別按式(1)、(2)計算,其中(1)用于計算結構內力,式(2)用于計算結構位移。

S=1.2SGK+1.4SQ1K,(應力、力) (1)

式中:SGK——按恒荷載計算的荷載效應值

SQ1K——按活載計算的荷載效應值

S=1.0 SGK+1.0 SQ1K。(位移) (2)

對模型進行靜力計算,也即計算SGK和SQ1K,依據(jù)公式(1)、(2)將計算結構進行工況組合。

某奧運場館結構的靜力及模態(tài)分析+應用技術圖片圖片2

各個層樓板位置(見下圖2):

某奧運場館結構的靜力及模態(tài)分析+應用技術圖片圖片3

梁柱最大軸力為:4070kN(見圖3);
梁柱最大應力為:8.01Mpa
梁柱上最大彎矩:My=2350kN.m(見圖4)
Mz=2090 kN.m(見圖5)

結果分析:

(1) 由表1可知,由于板厚適宜(0.15米),柔度適中,板的一般豎向位移為0.025米左右,在標高為6.95米處的跨度較大,豎向位移稍大,為0.032629米,達到規(guī)范的要求。
(2) 結構的開間不大,最大的為17.32米,而且梁的截面尺寸相對較小,受力不算很大,但是應力比較大,建議配預應力筋,以調節(jié)梁的應力,滿足規(guī)范的要求。
(3) 樓板的跨度比較大,而且四季溫差比較大,因而樓板的溫度應力是不可忽視的。
(4) 由于較多梁和柱匯交同一節(jié)點,會產生較大的應力集中,因而在梁柱節(jié)點處要做細致處理。
(5) 所的計算結果表明設計對靜力而言基本合理的。

4 自振特性分析

由于結構跨度較大,對結構的動力響應和抗震性能分析是十分必要的。為了求解結構的自振特性:頻率、周期和振型,一般按無阻尼自由振動考慮,且認為結構處于線彈性階段,經過界處理后,設結構作簡諧振動,其振動方程為:

([K]-ω2[M]){Φ}={0} (3)

其中,[K]為結構總剛矩陣;[M]為結構質量矩陣;ω為結構的自振頻率;{Φ}為振型向量。

可以通過下式求出結構的各階頻率:

|K-ω2M|=0 (4)

由于該奧運場館是典型的三維空間結構,頻率較密集,振型較多,經反復試算后,取結構前40個自振頻率和振型(表2)。

其前9階振型(篇幅有限)如圖3所示。

從圖中可以總結出結構的振型特點為:

(1) 基頻較高。第一頻率為3.3674Hz,體現(xiàn)了該結構的整體剛度比較大的特點;
(2) 自振頻率比較密集。第一頻率為3.3674Hz,第四十振型的頻率為7.1814 Hz,頻率只相差3.814 Hz,頻譜變化均勻,無頻率跳躍的現(xiàn)象體現(xiàn)了該結構動力性能的復雜性。
(3) 豎向振型為主。絕大部分振型表現(xiàn)為豎向振型,主要發(fā)生在樓板上,且靠近邊緣,這是由于梁柱的水平剛度比較大,致使豎向振型容易背激發(fā)出來,這也是大跨空間的一個顯著特點;
(4) 局部振型明顯。大多數(shù)的振型表現(xiàn)在上部,并靠近邊緣,這是由于下部的結構剛度比較大,上部的剛度相對較小。

某奧運場館結構的靜力及模態(tài)分析+應用技術圖片圖片4

某奧運場館結構的靜力及模態(tài)分析+應用技術圖片圖片5

[ 參考文獻 ]

[1] Ansys使用手冊,美國Ansys公司駐京辦事處
[2] GB50009-2001,建筑結構荷載規(guī)范
[3] GB50010-2002,混凝土設計規(guī)范
[4] 王國強,實用工程數(shù)值模擬技術及其在ANSYS中的應用,西安,西北工業(yè)大學出版社。1999。
[5] 郭全全,張文芳,吳桂英,劉季康,李珠,中國國家大劇院結構地震分析,工程力學,第20卷第二期,2003年4月。
[6] 賈凡,徐國彬,楊維國,國家大劇院建模分析,空間鋼結構,2001年第6期。
[7] 李珠,秘蓬勃,張文芳,中國國家大劇院結構靜力分析,山西建筑,2003年2月。

開放分享：優(yōu)質有限元技術文章,助你自學成才