搜索專業(yè)連載文章 | ANSYS中索單元的二次開發(fā) Part4-索結(jié)構(gòu)中鋼棒結(jié)構(gòu)模擬的應(yīng)用探討
2017-03-10 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
正文
預(yù)應(yīng)力鋼棒體系作為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)中的一種新型張拉錨固體系,近年來在國內(nèi)外大型公共建筑中逐漸被采用,比如上海新國際博覽中心、深圳游泳跳水館等,并常作為結(jié)構(gòu)的水平及豎向抗側(cè)力構(gòu)件、承重拉索和張弦梁下弦等構(gòu)件使用。通常鋼棒被定義為索的一種,在實際工程設(shè)計中亦使用索的理論進(jìn)行,但索單元的理論是基于抗彎剛度EI為零這一假定下推導(dǎo)的,因為鋼索是由細(xì)鋼絲絞成,其抗彎剛度很小,不考慮抗彎剛度是可行的,而對于鋼棒而言,因其為大直徑實心體,而應(yīng)力較柔索小,那么在ANSYS中如何模擬呢,筆者在下文中主要對這塊通過實例進(jìn)行了解釋說明。
在ANSYS中,因為考慮到鋼棒自身的抗彎剛度,所以并不適合用索單元來進(jìn)行模擬,而應(yīng)該使用空間beam4單元來模擬鋼棒,該單元支持應(yīng)力剛化及大應(yīng)變,并能夠自動反映抗彎剛度對自身的影響,需要指出的是必須打開大變形開關(guān)及應(yīng)力剛化效應(yīng),這才能符合大位移、小應(yīng)變的假定,既能反映索的特性,又能反映梁的特性;不然的話,計算程序?qū)τ阡摪魰雌胀河嬎?即荷載產(chǎn)生的跨中彎矩全部由梁承擔(dān),而無軸向力產(chǎn)生,這樣的計算結(jié)果是不正確的。
上圖為某展覽中心工程的空間三維圖,為一典型的張弦結(jié)構(gòu),其上弦為箱梁,下弦為 3根并列的鋼棒,鋼棒最大長度為25m,直徑均為140mm,彈性模量E =2e5N/mm2,兩端均為鉸接。整個張弦梁一端由變截面梁支承,另一端支承在剛度很大的主體結(jié)構(gòu)的牛腿上,通過一個人造橡膠支座與之相連,即其平面內(nèi)水平方向上沒有約束,可以自由滑動,模型將釋放水平向的約束;與之對應(yīng)的,下弦鋼棒的預(yù)應(yīng)力是通過對箱梁的超高安裝,并在其自重作用下產(chǎn)生水平滑動而在鋼棒中產(chǎn)生拉應(yīng)力,與此同時箱梁達(dá)到設(shè)計曲線。在這個過程中,箱梁的超高安裝非常重要,因為其準(zhǔn)確性不但關(guān)系到鋼棒中預(yù)應(yīng)力的施加,還會影響整個屋面的曲線。筆者通過計算各個節(jié)點(diǎn)在自重作用下的位移,來指導(dǎo)施工時的預(yù)起拱數(shù)值,以保證鋼棒預(yù)應(yīng)力的施加及整個屋面曲線的形成。
本文中為了便于說明問題,僅取出中間一榀計算,即作為平面索拱進(jìn)行計算。筆者一是使用beam4的離散單元,并釋放節(jié)點(diǎn)處平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動約束,另外,也使用了用戶索單元同它的計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析和比較。結(jié)果表明,使用beam4具有最高的精度,而使用索單元并修正垂度的情況下也可以取得接近的結(jié)果,那么在實際工程應(yīng)用中,使用beam4為最簡單可靠的方法,但一定要打開大變形開關(guān)及應(yīng)力剛化效應(yīng)來考慮這種自身抗彎剛度特別小的鋼棒,而不能簡單的把其看作是普通的梁單元,這是大家在模擬仿真時需要特別注意的。
需要補(bǔ)充一點(diǎn)的是,ANSYS中二次開發(fā)的索單元其實是可以通過引入垂度修正系數(shù)的辦法來達(dá)到使用Beam4一樣的精度和效果,但因為在實際應(yīng)用中比較麻煩所以沒有得到運(yùn)用,但從理論探討和深入了解機(jī)理的角度,還是值得我們?nèi)パ芯?這一塊筆者就不再贅述,感興趣的朋友可以去參考相關(guān)文獻(xiàn),里面會有比較多的理論推導(dǎo)和分析,主要是供研究機(jī)理的朋友們?nèi)フJ(rèn)真細(xì)究。
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