ANSYS钢构细部强度验算

2016-10-23 by:CAE仿真在线来源:互联网

1复核计算

1.1 计算思路

节点分析数值计算的总体思路为:以我方建立的MIDAS/civil模型,计算所得的杆件内力(主要考虑的是轴力和弯矩,剪力和扭矩不考虑,因为它们之间有数量级的差距),作为所要分析的节点所连接的相关杆件的外力,将其施加至用实

1.2有限元模型

节点细部采用通用软件ANSYS进行建模,节点各杆长往外延伸1m处用实体建模,单元选用ANSYS软件中的Solid185实体单元进行模拟,考虑各杆件连接处的细部过渡(利用倒角过渡)。实体的网格划分采用ANSYS中的自由网格划分,利用ANSYS Mechanical APDL的智能网格体积算法,在几何模型外形突变处进行较细密的网格划分(划分网格后实体模型如图1-1-1-3所示)。为方便施加杆端力,在实体模型各杆件端头建立0.4m的梁单元,梁单元以Beam4单元进行模拟,实体单元与梁单元之间通过刚域进行连接(如下图1-4所示)。ANSYS模型中,单元所用材料特性与Midas/civil中实际所用钢材一致。边界约束条件为固结单根主桁杆,其余杆端均为自由端(如图1-4所示),通过对杆端梁单元施加外荷载,使ANSYS模型趋近Midas/civil受力形式。

图1-1 25号节点划分网格后模型

图1-2 37号节点划分网格后模型

图1-3 150号节点划分网格后模型

图1-4单元之间的刚域连接

2节点应力分析

2.1 25号节点外荷载

该人行天桥结构所受的外荷载包括:恒载(自重、栏杆、桥面铺装、顶棚荷载)、活载(人群荷载)、温度荷载(整体升温、整体降温、温度梯度)、等效的静风荷载、桥墩不均匀沉降以及其他各种可能的合理荷载组合,此处,仅对桥梁恒载、恒载与活载组合以及最不利荷载组合(最不利荷载组合是指:在荷载作用方向明确的荷载作用下节点各杆件产生的内力一定,以此内力为基准,将其他荷载方向不明确的荷载作用于模型上,选取在方向不明确荷载作用下易于变形的杆件作参考杆件,不同荷载工况下,使该杆件内力达到与方向明确荷载产生同号内力且为最大值的荷载工况为荷载组合工况,即最不利荷载组合工况)作用下节点的应力分布情况,进行理论分析比较。提取Midas/civil模型中相应杆单元的内力,作为ANSYS模型中对应梁单元的外力,将其施加到节点局部模型对应的杆端梁单元上(如下表2-1~2-3所示,25号节点提取结果)。人行天桥各杆件所受内力以轴力和弯矩为主,剪力和扭矩相比较轴力及弯矩小一至两个数量级。

表2-1 恒载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	316363.31	-28099.41	-1657.49
上弦杆2	-153592.00	-48606.74	-8381.21
上弦平面内斜杆1	71029.08	-1148.60	-776.66
上弦平面内斜杆2	3869728.74	18416.73	-27397.68
斜腹杆1	2926884.75	8729.05	55293.34
斜腹杆2	-1712043.83	18340.36	-16913.44

表2-2恒载与活载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	452939.53	-37596.12	-6135.06
上弦杆2	-251871.97	-64214.56	-13976.47
上弦平面内斜杆1	5389774.37	32058.14	-32283.10
上弦平面内斜杆2	816432.95	-12674.40	-18419.18
斜腹杆1	3974011.81	32597.57	68195.05
斜腹杆2	-2939572.95	27254.17	-33527.35

表2-3最不利荷载组合作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	565565.21	-55323.61	30001.71
上弦杆2	-347666.92	-83286.93	-31289.30
上弦平面内斜杆1	5894682.31	79504.16	-43321.85
上弦平面内斜杆2	1451699.19	-33050.35	-44512.29
斜腹杆1	4166898.83	110476.70	113927.13
斜腹杆2	-3627720.82	47719.34	-49035.42

2.1.1 恒载作用下25号节点分析结果

模型共有10891个节点,47150个Solid185单元和10个Beam4单元。恒荷载(对应Midas中0号工况)作用下所得Mises应力云图如下所示。

图2-1 25号节点恒载作用下Mises应力云图

图2-2 25号节点恒载作用下Mises应力云图

图2-3 25号节点恒载作用下Mises应力云图

根据计算结果,25号节点在恒载作用下,ANSYS计算结果的最大Mises应力为98.7MPa,在上弦平面内斜杆上有应力集中现象;Midas计算结果得出的最大应力为99.1MPa,也位于上弦平面内斜杆上。ANSYS计算可靠,应力水平低于所用材料(Q420钢)屈服强度的0.6倍,满足设计要求。

2.1.2 恒载+活载作用下25号节点分析结果

模型共有10891个节点,47150个Solid185单元和10个Beam4单元。恒荷载+活载(对应Midas中1号工况)作用下所得Mises应力云图如下所示。

图2-4 25号节点恒载+活载作用下Mises应力云图

图2-5 25号节点恒载+活载作用下Mises应力云图

图2-625号节点恒载+活载作用下Mises应力云图

根据计算结果,25号节点在恒载+活载作用下,ANSYS计算结果的最大Mises应力为137MPa,在上弦平面内斜杆处有应力集中;其应力水平低于所用材料(Q420钢)屈服强度的0.6倍,满足设计要求。

2.1.3 最不利荷载组合作用下25号节点分析结果

模型共有10891个节点,47150个Solid185单元和10个Beam4单元。最不利荷载组合(最不利荷载组合是指:在荷载作用方向明确的荷载作用下节点各杆件产生的内力一定,以此内力为基准,将其他荷载方向不明确的荷载作用于模型上,选取在方向不明确荷载作用下易于变形的杆件作参考杆件,不同荷载工况下,使该杆件内力达到与方向明确荷载产生同号内力且为最大值的荷载工况为荷载组合工况,即最不利荷载组合工况)作用下所得Mises应力云图如下所示。

图2-7 25号节点最不利荷载组合作用下Mises应力云图

图2-8 25号节点最不利荷载组合作用下Mises应力云图

图2-9 25号节点最不利荷载组合作用下Mises应力云图

根据计算结果,25号节点在最不利荷载组合作用下,ANSYS计算结果的最大Mises应力为155MPa,在上弦平面内斜杆处有应力集中;应力水平低于所用材料(Q420钢)屈服强度的0.6倍,满足设计要求。

2.2 37号节点外荷载

提取Midas/civil模型中相应杆单元的内力,作为ANSYS模型中对应梁单元的外力,将其施加到节点局部模型对应的杆端梁单元上(如下表2-4-2-6所示,37号节点提取结果)。

表2-4恒载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	-489096.58	-131677.59	-39711.17
上弦杆2	886240.02	-114084.29	-22856.33
上弦平面内斜杆1	-1438625.03	119551.20	70221.61
上弦平面内斜杆2	-1591057.59	49912.33	17078.36
斜腹杆1	226762.48	101577.87	-122967.72
斜腹杆2	-1054693.36	52694.92	103519.63

表2-5恒载与活载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	-739858.05	-179385.14	-55920.63
上弦杆2	1258387.49	-152706.25	-34009.77
上弦平面内斜杆1	-2044485.15	173346.09	116335.95
上弦平面内斜杆2	-2236518.46	84922.83	28607.97
斜腹杆1	495233.08	143639.83	-173884.97
斜腹杆2	-1489679.58	79243.82	148416.56

表2-6恒载与活载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	-902685.66	-231928.62	-68824.74
上弦杆2	1434735.39	-191596.38	-40435.48
上弦平面内斜杆1	-2797213.31	139052.72	46138.85
上弦平面内斜杆2	-2572250.32	265752.10	159228.32
斜腹杆1	647690.42	169976.05	-239614.13
斜腹杆2	-1777751.75	116052.89	190033.64

2.2.1 恒载作用下37号节点分析结果

模型共有11643个节点,51172个Solid185单元和10个Beam4单元。恒荷载(对应Midas中0号工况)作用下所得Mises应力云图如下所示。

图2-10 37号节点恒载作用下Mises应力云图

图2-11 37号节点恒载作用下Mises应力云图

图2-12 37号节点恒载作用下Mises应力云图

根据计算结果,37号节点在恒载作用下,ANSYS计算结果的最大Mises应力为72.3MPa,在固端约束处有应力集中现象;应力水平低于所用材料(Q420钢)屈服强度的0.6倍,满足设计要求。

2.2.2 恒载+活载作用下37号节点分析结果

模型共有11643个节点,51172个Solid185单元和10个Beam4单元。恒荷载+活荷载(对应Midas中1号工况)作用下所得Mises应力云图如下所示。

图2-13 37号节点恒载+活载作用下Mises应力云图

图2-14 37号节点恒载+活载作用下Mises应力云图

图2-15 37号节点恒载+活载作用下Mises应力云图

根据计算结果,37号节点在恒载+活载作用下,ANSYS计算结果的最大Mises应力为110MPa,在固端约束处有应力集中现象;这是因为固端约束处采用刚接,导致此处刚度大于其他自由端,受外荷载的作用时,此处将担更大荷载,应力相对要集中些。但此处的应力水平低于所用材料(Q420钢)屈服强度的0.6倍,所以在如此荷载作用下结构是安全的,满足设计要求。

2.2.3 最不利荷载作用下37号节点分析结果

模型共有11643个节点,51172个Solid185单元和10个Beam4单元。最不利荷载作用下所得Mises应力云图如下所示。

图2-16 37号节点最不利荷载作用下Mises应力云图

图2-17 37号节点最不利荷载作用下Mises应力云图

图2-18 37号节点最不利荷载作用下Mises应力云图

根据计算结果,37号节点在恒载+活载作用下,ANSYS计算结果的最大Mises应力为142MPa,在固端约束处有应力集中现象;这是因为固端约束处采用刚接,导致此处刚度大于其他自由端,受外荷载的作用时,此处将担更大荷载,应力相对要集中些。但此处的应力水平低于所用材料(Q420钢)屈服强度的0.6倍,所以在如此荷载作用下结构是安全的,满足设计要求。

2.3 150号节点外荷载

提取Midas/civil模型中相应杆单元的内力,作为ANSYS模型中对应梁单元的外力,将其施加到节点局部模型对应的杆端梁单元上(如下表2-7-2-9所示,150号节点提取结果)。

表2-7恒载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	1475476.75	-11987.43	29385.16
上弦杆2	-2036715.18	19323.92	33051.81
上弦平面内斜杆1	-1639381.53	110061.10	-59654.70
上弦平面内斜杆2	-2938450.87	154815.34	-65136.33
斜腹杆1	-314753.69	17177.12	13653.11
斜腹杆2	-701108.78	-26879.80	22615.93

表2-8恒载与活载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	2043635.87	-22730.15	45557.41
上弦杆2	-2849890.99	46677.25	53338.18
上弦平面内斜杆1	-2414274.34	160094.69	-79630.84
上弦平面内斜杆2	-4130634.99	233199.72	-113340.73
斜腹杆1	-532121.55	29430.81	30048.91
斜腹杆2	-996456.15	-39249.51	45464.55

表2-9最不利荷载作用下节点外荷载

杆件名称	轴力(N)	弯矩1(N·m)	弯矩2(N·m)
上弦杆1	2250120.59	-42577.62	65190.34
上弦杆2	-3105942.87	81995.94	67726.67
上弦平面内斜杆1	-4521346.53	457654.03	-137581.81
上弦平面内斜杆2	-2861141.74	305685.14	-101694.57
斜腹杆1	-1253849.53	-62792.69	77953.76
斜腹杆2	-707639.41	55002.18	45371.96