专业连载文章 | ANSYS中索单元的二次开发 Part4-索结构中钢棒结构模拟的应用探讨

2017-03-10  by:CAE仿真在线  来源:互联网

预应力钢棒体系作为预应力钢结构中的一种新型张拉锚固体系,近年来在国内外大型公共建筑中逐渐被采用,比如上海新国际博览中心、深圳游泳跳水馆等,并常作为结构的水平及竖向抗侧力构件、承重拉索和张弦梁下弦等构件使用。通常钢棒被定义为索的一种,在实际工程设计中亦使用索的理论进行,但索单元的理论是基于抗弯刚度EI为零这一假定下推导的,因为钢索是由细钢丝绞成,其抗弯刚度很小,不考虑抗弯刚度是可行的,而对于钢棒而言,因其为大直径实心体,而应力较柔索小,那么在ANSYS中如何模拟呢,笔者在下文中主要对这块通过实例进行了解释说明。

在ANSYS中,因为考虑到钢棒自身的抗弯刚度,所以并不适合用索单元来进行模拟,而应该使用空间beam4单元来模拟钢棒,该单元支持应力刚化及大应变,并能够自动反映抗弯刚度对自身的影响,需要指出的是必须打开大变形开关及应力刚化效应,这才能符合大位移、小应变的假定,既能反映索的特性,又能反映梁的特性;不然的话,计算程序对于钢棒会按普通梁计算,即荷载产生的跨中弯矩全部由梁承担,而无轴向力产生,这样的计算结果是不正确的。

上图为某展览中心工程的空间三维图,为一典型的张弦结构,其上弦为箱梁,下弦为 3根并列的钢棒,钢棒最大长度为25m,直径均为140mm,弹性模量E =2e5N/mm2,两端均为铰接。整个张弦梁一端由变截面梁支承,另一端支承在刚度很大的主体结构的牛腿上,通过一个人造橡胶支座与之相连,即其平面内水平方向上没有约束,可以自由滑动,模型将释放水平向的约束;与之对应的,下弦钢棒的预应力是通过对箱梁的超高安装,并在其自重作用下产生水平滑动而在钢棒中产生拉应力,与此同时箱梁达到设计曲线。在这个过程中,箱梁的超高安装非常重要,因为其准确性不但关系到钢棒中预应力的施加,还会影响整个屋面的曲线。笔者通过计算各个节点在自重作用下的位移,来指导施工时的预起拱数值,以保证钢棒预应力的施加及整个屋面曲线的形成。

本文中为了便于说明问题,仅取出中间一榀计算,即作为平面索拱进行计算。笔者一是使用beam4的离散单元,并释放节点处平面内的转动约束,另外,也使用了用户索单元同它的计算结果进行了对比分析和比较。结果表明,使用beam4具有最高的精度,而使用索单元并修正垂度的情况下也可以取得接近的结果,那么在实际工程应用中,使用beam4为最简单可靠的方法,但一定要打开大变形开关及应力刚化效应来考虑这种自身抗弯刚度特别小的钢棒,而不能简单的把其看作是普通的梁单元,这是大家在模拟仿真时需要特别注意的。

需要补充一点的是,ANSYS中二次开发的索单元其实是可以通过引入垂度修正系数的办法来达到使用Beam4一样的精度和效果,但因为在实际应用中比较麻烦所以没有得到运用,但从理论探讨和深入了解机理的角度,还是值得我们去研究,这一块笔者就不再赘述,感兴趣的朋友可以去参考相关文献,里面会有比较多的理论推导和分析,主要是供研究机理的朋友们去认真细究。

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