MIDAS/Gen张弦结构分析

2016-12-13 by:CAE仿真在线来源:互联网

张弦结构分析

概要

此例题将介绍利用MIDAS/Gen做张弦结构分析的整个过程,以及查看分析结果的方法。

该例题的建模部分可以参见MIDAS/Gen语音资料的弧形网架建模动画,这里不再做介绍。通过该例题希望用户能够了解做张弦结构分析的一般步骤和过程,重点是让用户了解在MIDAS/Gen中施加和调整索单元张拉力的方法、几何非线性分析的设置及如何对带有索单元的结构进行弹性反应谱分析。

张弦结构概述

张弦结构是将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体系,是一种大跨度预应力空间结构体系。

张弦结构上弦刚性构件可以是实腹式梁,也可以是格构式桁架,据此对不同的张弦结构可称作张弦梁或张弦桁架。本例题中介绍的模型使用张弦桁架。

张弦结构的特点

张弦结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时,由于引进了具有抗压和抗弯能力的桁架或梁而使体系的刚度和稳定性大为增强。

对张弦结构中索施加一定的预拉力,这既可使索具有适当的初始绷紧度,也可对索与桁架或梁之间的受力比例进行必要调整;既充分发挥了索的抗拉能力,又调整了桁架或梁的内力分布(使桁架或梁中的内力分布趋于均匀)

张弦结构的形态定义

张弦结构像悬索结构等柔性结构一样,根据张弦结构的加工,施工及受力特点,通常将其结构形态定义为零状态、初始态和荷载态三种。

(1):零状态

零状态是拉索张拉的前状态,实际上是指构件的加工和放样状态,通常也称结构放样态。

当索张拉完毕后,结构上弦构件的形状将发生偏离,从而不能满足建筑的要求,因此,张弦结构上弦构件的加工放样要考虑这种索张拉后带来的变形影响,这是张弦结构要进行零状态定义的原因。

(2):初始态

初始态是拉索张拉完毕后,结构安装就位的形态,通常也称预应力态。

初始态是建筑施工图中所明确的结构外形。

(3):荷载态

荷载态是外荷载作用在初始态结构上发生变形后的平衡状态。

张弦桁架在MIDAS中的计算

此例题的分类及各自的步骤如下:

一、在工程中已知索单元初拉力的情况下,加其它荷载进行分析,求索单元的拉力变化及结构的变形。

1. 打开建好的张弦桁架模型、输入其它荷载

2. 输入索单元的初拉力(即对索单元进行张拉)

3. 定义几何非线性分析控制数据

4. 运行结构分析

5. 查看结果

二、对带有索单元的结构进行反应谱分析

1. 打开建好的张弦桁架模型

2. 添加各类荷载、设定反应谱及工况

3. 使用小位移输入索单元的初拉力(即对索单元进行张拉)

4. 运行结构分析

5. 查看有关结果

分析模型与荷载工况

本例题张弦桁架的几何形状、边界条件以及所使用的构件如图1所示。本例题的边界条件设定为一端铰接,另一端为滑动支座。本例题中荷载只考虑自重、屋盖作用恒荷载、活荷载、索的初拉力。(本例题数据仅供参考)

注意:进行几何非线性分析时,需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后的结果,必须将该荷载组合作为一个工况进行非线性分析,查看该工况的结果。不能象弹性分析时,直接查看分析后几种单独工况的线性组合结果。

Ø 荷载工况 1 – 自重

Ø 荷载工况 2 –屋面恒荷载 10kN (节点荷载)

Ø 荷载工况 3 –屋面活荷载 5kN (节点荷载)

Ø 索初拉力 770kN

图1 分析模型

输入各种荷载

自重、屋面恒、活荷载的输入

设定荷载工况,输入自重、屋面恒荷载、屋面活荷载。关于荷载的输入,可以参见平面网架的例题。

由荷载组合建立荷载工况

在使用非线性分析的时候,需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后的结果,必须将该荷载组合作为一个工况进行非线性分析,查看该工况的结果。分析结束后,将不同的荷载工况分别乘以不同的组合系数进行叠加组合的方法,只适合于线弹性的分析。MIDAS/Gen中可以通过“荷载>由荷载组合建立荷载工况”将某一荷载组合生成一种荷载工况,再利用该工况进行分析。

本例题中,假设需要查看的是在1.2倍恒荷载(包括自重)和1.4倍活荷载(即 1.2D+1.4L)组合下的结果。

注意:使用该功能的时候,程序只将荷载组合中原来各个工况已经添加的荷载复制到新建的工况中,但是原来工况中在使用该功能后添加的荷载,程序不会自动复制。

例如在本例题中,如果在利用该功能生成了新的名为“1.2D+1.4L”的荷载工况后,又在“D”荷载工况中,添加了新的恒荷载,那么,新添加的恒荷载不会自动的复制到“1.2D+1.4L”的荷载工况中,需要利用该功能再手动生成一次。

图2 由荷载组合生成荷载工况

添加索单元的初拉力

在MIDAS/Gen中,进行几何非线性分析(大位移)分析时,给索单元加初拉力的方法有三种:

1、荷载>初始荷载>大位移>几何刚度初始荷载,

2、在建立单元的时候,“单元类型”选择为索单元时,使用无应力长度“Lu”或者直接加“初拉力”,

3、荷载>预应力荷载>初拉力荷载。

方法一施加的初拉力相当于内力。这可以用以下两点来理解:一是该力不属于任何荷载工况。在查看某一荷载工况下的索单元内力时,显示的数值为该荷载工况作用下索单元内力和索中初拉力两者的合力。二是它只作用在施加了力的索单元上,在分析时该方法加的初拉力只影响索单元的刚度,不会对结构中其它构件产生内力或者位移。(添加一个空工况,即只给工况类型,不添加任何属于该类型的荷载值,分析后可以看到空工况作用下结构中不产生位移,只有索单元有内力,其余构件的内力为零。)

几何刚度初始荷载提供的是刚度,而不是外力,外力是会对整个结构产生影响的。可以这样理解,在进行几何非线性分析的时候,索其实相当于桁架,只是在每一步迭代时,索单元内的拉力会不断变化,索单元的刚度也在不断变化,索单元就好比是一根截面在不断变化的桁架单元。

² 使用建立单元的时候添加初拉力和添加初拉力荷载的方式给索单元施加张拉力,对结构的作用是一样的,即在张拉力和相同的外荷载作用下,结构的反应是一样的。只是二者的用途稍有不同,方法二比较直接,但是不适合做分批张拉索的施工阶段分析,方法三则适用于施工阶段分析。

² 在只使用“初拉力荷载”给索添加初拉力的时候,分析时有时候会提示错误或者不收敛,此时,可以添加一个较小的“几何刚度初始荷载”,这样分析的时候容易收敛,对索单元的内力影响也不大。

方法二、三施加的初拉力相当于外力。它们的共同点是都会对结构中的其它构件产生影响,带来位移及内力。但是两者又有不同,最主要的不同是:建立索单元的时候添加的初拉力,既是外力,同时还影响索单元在计算时候的初始刚度;而使用“初拉力荷载”添加的初拉力,只是外力,不影响索单元在计算时候的初始刚度。另外二者还有以下的不同:

方法二施加的初拉力,不需要设定为荷载工况,在计算后,查看某工况下的结构内力时,得到的结果是该工况和初拉力共同作用的结果。(可以在模型中添加一个空工况,分析后可以看到该工况下,结构中会产生位移,除了索单元有内力外,其余构件也会有内力。)

在分析时该方法加的初拉力既影响索单元的初始刚度,又对其它构件产生内力。

工程中,如果需要模拟张拉索单元后,考虑其它构件中也带有内力的情况,可以使用该方法添加初拉力,然后可以进行结构在其它工况的荷载作用下的非线性分析。

方法三需要设定初拉力为某一荷载工况,当需要查看另外一个工况和初拉力共同作用的结果时,要将二者放在同一个工况内,进行非线性计算。在需要考虑施工过程(例如分批张拉索单元)的时候,可以采用这种方法施加初拉力并设定施工阶段进行分析。MIDAS/Gen施工阶段的定义可参加相关例题。

在本例题中,使用建立索单元的时候添加初拉力的方法。