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)用中心來源:仿真在線

1 ANSYS在土木工程中的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用,可以對這些結(jié)構(gòu)在各種外荷載條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動力特性做出全面分析,從力學(xué)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(yīng)用,如廣州的金貿(mào)大廈、國家大劇院、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,每個節(jié)點有三個自由度X,Y,Z。沒有彎曲剛度,但有應(yīng)力剛化和大變形能力。可通過輸入?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(yīng)變的方法來對拉索施加預(yù)應(yīng)力,但經(jīng)計算后發(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(zhì)量和單元荷載設(shè)為一個相當(dāng)小的數(shù)值,這樣所產(chǎn)生的效果就是移除這個單元時所得到的計算結(jié)果。當(dāng)單元被激活時,它的剛度、質(zhì)量和單元荷載返回原始值,但沒有應(yīng)變歷史的記錄。然而,以實常數(shù)形式定義的初應(yīng)變則不受單元死活選項的影響,當(dāng)大變形效應(yīng)開關(guān)打開時(NLGEOM,ON),為了與當(dāng)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(yīng)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(diào)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(jié)構(gòu),其主場館跨度為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)過對此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(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單元來模擬支座,combin14是空間兩節(jié)點的彈簧單元,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(fù)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(fù)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(jié)果

3.4.1 模態(tài)分析

通過模態(tài)分析計算得到結(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 動力分析

對于大規(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(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度基本烈度所對應(yīng)的值。經(jīng)計算,采用振型分解反應(yīng)譜法計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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