木結構的整體有限元分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

1.引言
對這些古建筑的動力特性的研究,從七十年代就已經開始了,但是由于技術的限制,這些研究還遠遠不夠。隨著社會的進步,人們也開始對古建筑的維護投入了更多的關注。因此對古建筑的研究也要求進一步的深入。
2.木結構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對一層木框架房屋進線性的靜力分析。在此模型中,剪力墻被簡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實現(xiàn),而屋面和樓板被簡化為超級單元。
2001年,由Slovenia的研究小組提出的Slovenia模型[2][3]將木結構房屋的整體分三個階段:釘連接模型一墻體模型一木結構房屋整體模型。其研究思路為:先根據D分析剪力墻所得的滯回曲線,將每片墻簡化成一個等效支撐框架。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)程序對整體行非線性動力時程分析。
3.木結構的整體有限元分析
3.1 足尺寸實驗模型概況
本文以日本防災科學技術研究所兵庫抗震工程研究中心進行的足尺寸木結構的振動臺實驗為原型進行有限元分析。該振動臺實驗主要研究帶墻體覆面板結構自振以及在不同地震波程度下的動力特性。模型標準層結構平面布置層高為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構。柱截面和基礎梁截面均為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 有限元計算模型
本工作希望從數(shù)值方法出發(fā),用簡單有效的方法,建立木結構的有限元計算模型,對其動力特性進行計算模擬,并結合實驗數(shù)據評判模型。
建立的有限元計算模型主要包括以下幾個方面:
(1)基礎模擬。地震波在地表傳播時,地基是一個變形體,地震發(fā)生時結構基礎處各點的運動是不同的。但是,對于一般建筑物,其長度遠小于地震波的波長(它和場地介質的情況有關),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]。因此在本次實驗中,基礎梁是固定在振動臺上,計算模型中假定基礎為剛性連接。
(2)木框架模擬。實驗中的木結構框架可視為一種梁柱結構體系。梁柱之間上下叉接,左右卡連,如圖3所示是實驗中梁柱榫卯連接。榫卯連接是介于剛接與鉸接之間的半剛性連接,在進行有限元分析時,通常的方法是用空間二節(jié)點虛擬彈簧單元來模擬這種半剛性連接性質。在同一空間位置的梁柱各端部節(jié)點與相應梁柱構件各自對應,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,在計算模型中,柱一柱、梁一梁和梁一柱之間用彈簧單元來實現(xiàn)它們之間半剛性的連接。
考慮到木構架材質主要發(fā)揮其順紋力學性質,可以將材料近似看作各向同性。參考文獻[4]本文采用的木構架材料彈性模量15.5×109Pa,密度為3766kg/m3,泊松比0.25。
(3)屋面板單元。實驗模型中屋面剛度很大,可以認為是剛性的,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程中,利用質量單元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,以免對慣性力的動力效應考慮不充分。
(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,對整體結構抗側移能力的影響不能忽略,尤其在水平荷載作用下,會使結構產生扭轉,需要考慮墻體的影響。本文結合參考Slovenia模型和同濟大學的博士[3]的模型,采用等效桁架模型來簡化木結構剪力墻,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 墻體有限元模型計算
3.2.1計算模型的建立
如前節(jié)所述,為得到木結構墻體荷載—位移曲線的全過程,本文先模擬單片墻體的抗側移性能:在ANSYS非線性靜力計算中,采用Solid64、Shell63、Combin39這3種單元分別模擬剪力墻中的木構架、覆面板、釘節(jié)點參數(shù)[3],并采用分級加載的方法對墻體進行加載。
3.2.2 墻體有限元分析結果
本模型木結構墻進行有限元分析所得的當頂端產生100mm側向變形時,墻體以及覆面板的變形云圖。采用ANSYS軟件進行有限元分析所得的木結構剪力墻側向荷載-位移曲線與足尺寸試驗曲線的比較見圖7。從圖7中可看出本文的有限元分析能較好地模擬規(guī)則木結構剪力墻在單調側向加載時的側向荷載-位移曲線。
4.有限元時程分析
4.1 結構模態(tài)分析
結構體系的振型、自振頻率與自振周期是結構的固有特性,是反映結構動力特性的重要參數(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。通過模態(tài)分析可以進一步了解結構的動力特性。結構模態(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)據可以看出,本文計算結構的固有頻率與實驗所得的振型和固有頻率比較接近。從結果分析,模型中X方向的抗側移剛度明顯大于Y方向,因此模型的一階平動振型為Y向一階平動。由于木結構墻體的布置,使得結構出現(xiàn)了扭轉,所以在ANSYS分析中第三階以及實驗中都出現(xiàn)了一階整體扭轉。
4.2 時程分析
在振動臺實驗中,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的地震實驗和有限元模擬中,加速度峰值的計算值和實驗值誤差在20%以內,但是0.1g的系列中,誤差達到15%~35%。總得趨勢上,計算結構小于試驗結構。振動臺實驗中,結構模型經歷了一系列的地震實驗后,發(fā)生了一些可見或者不可見的損傷,造成結構的剛度下降,自振周期變大,加速度反應也逐漸變大,但是在ANSYS進行動力分析時,并未考慮多次地震造成的剛度折減,因此計算值和實驗值相比較偏小是比較合理的。
由加速度時程曲線可以看出,屋面板處加速度計算值和實驗值比較接近,誤差僅僅為5%左右,時程曲線的形狀也吻合得很好。由此可見,采用本文的模型模擬的加速度時程曲線和實驗值相差不大。
5.結論
本文利用ANSYS軟件對帶覆面板的榫卯木結構進行數(shù)值模擬。文中將榫卯節(jié)點簡化為半剛性連接,用彈簧單元來模擬,覆面板則簡化為等效的桁架模型,得出了模態(tài)下的固有頻率及振型,動力分析下的加速度時程曲線。文中通過將有限元分析結構和實驗結果進行比對,正式采用文中的方法可以較好的模擬分析木結構的整體性能。