木结构的整体有限元分析

2017-03-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

1.引言
对这些古建筑的动力特性的研究,从七十年代就已经开始了,但是由于技术的限制,这些研究还远远不够。随着社会的进步,人们也开始对古建筑的维护投入了更多的关注。因此对古建筑的研究也要求进一步的深入。
2.木结构整体有限元分析方法
早在1994年Kasal[1]等就利用大型商业有限元软件ANSYS对一层木框架房屋进线性的静力分析。在此模型中,剪力墙被简华成由刚性杆和斜向弹簧组成的桁架模型线性由斜向弹簧的单元特性来实现,而屋面和楼板被简化为超级单元。
2001年,由Slovenia的研究小组提出的Slovenia模型[2][3]将木结构房屋的整体分三个阶段:钉连接模型一墙体模型一木结构房屋整体模型。其研究思路为:先根据D分析剪力墙所得的滞回曲线,将每片墙简化成一个等效支撑框架。定义斜撑单元的参模型的滞回曲线拟合而得到,并采用CANNY-E(采用Newmark算法)程序对整体行非线性动力时程分析。
3.木结构的整体有限元分析
3.1 足尺寸实验模型概况
本文以日本防灾科学技术研究所兵库抗震工程研究中心进行的足尺寸木结构的振动台实验为原型进行有限元分析。该振动台实验主要研究带墙体覆面板结构自振以及在不同地震波程度下的动力特性。模型标准层结构平面布置层高为2.93m,柱横向间距和纵向间距均为1.92m,采用以杉木为原材料的木框架结构。柱截面和基础梁截面均为120mm×120mm,屋面外框梁截面120mm×270mm,次梁截面为120mm×210mm,其梁和柱均为榫卯连接,墙面板为干式土壁覆面板。
3.2 有限元计算模型
本工作希望从数值方法出发,用简单有效的方法,建立木结构的有限元计算模型,对其动力特性进行计算模拟,并结合实验数据评判模型。
建立的有限元计算模型主要包括以下几个方面:
(1)基础模拟。地震波在地表传播时,地基是一个变形体,地震发生时结构基础处各点的运动是不同的。但是,对于一般建筑物,其长度远小于地震波的波长(它和场地介质的情况有关),因此通常情况下将建筑物的地基近似看作刚性盘体是合理的[8]。因此在本次实验中,基础梁是固定在振动台上,计算模型中假定基础为刚性连接。
(2)木框架模拟。实验中的木结构框架可视为一种梁柱结构体系。梁柱之间上下叉接,左右卡连,如图3所示是实验中梁柱榫卯连接。榫卯连接是介于刚接与铰接之间的半刚性连接,在进行有限元分析时,通常的方法是用空间二节点虚拟弹簧单元来模拟这种半刚性连接性质。在同一空间位置的梁柱各端部节点与相应梁柱构件各自对应,并选择合适的自由度赋予弹簧刚度参数,形成半刚性连接[5]。因此,在计算模型中,柱一柱、梁一梁和梁一柱之间用弹簧单元来实现它们之间半刚性的连接。
考虑到木构架材质主要发挥其顺纹力学性质,可以将材料近似看作各向同性。参考文献[4]本文采用的木构架材料弹性模量15.5×109Pa,密度为3766kg/m3,泊松比0.25。
(3)屋面板单元。实验模型中屋面刚度很大,可以认为是刚性的,因此用Shell63单元固接在屋面梁上模拟。屋面上的配重在剪力有限元模拟过程中,利用质量单元Mass21模拟,将屋盖配重按面积等效原则集中到柱顶位置,而不是单纯用荷载代替,以免对惯性力的动力效应考虑不充分。
(4)墙体模拟。本模型中,虽然隔墙并非竖向承重构件,故不是真正意义上的剪力墙,但是其由墙骨架及面板组成的墙面板体系,对整体结构抗侧移能力的影响不能忽略,尤其在水平荷载作用下,会使结构产生扭转,需要考虑墙体的影响。本文结合参考Slovenia模型和同济大学的博士[3]的模型,采用等效桁架模型来简化木结构剪力墙,如图4所示。斜向支撑单元采用定义为刚性Link8单元及Combin39单元组合而成,根据下节有限元模拟墙体所得的荷载变形曲线定义弹簧单元参数。
3.3 墙体有限元模型计算
3.2.1计算模型的建立
如前节所述,为得到木结构墙体荷载—位移曲线的全过程,本文先模拟单片墙体的抗侧移性能:在ANSYS非线性静力计算中,采用Solid64、Shell63、Combin39这3种单元分别模拟剪力墙中的木构架、覆面板、钉节点参数[3],并采用分级加载的方法对墙体进行加载。
3.2.2 墙体有限元分析结果
本模型木结构墙进行有限元分析所得的当顶端产生100mm侧向变形时,墙体以及覆面板的变形云图。采用ANSYS软件进行有限元分析所得的木结构剪力墙侧向荷载-位移曲线与足尺寸试验曲线的比较见图7。从图7中可看出本文的有限元分析能较好地模拟规则木结构剪力墙在单调侧向加载时的侧向荷载-位移曲线。
4.有限元时程分析
4.1 结构模态分析
结构体系的振型、自振频率与自振周期是结构的固有特性,是反映结构动力特性的重要参数。本文中模态的提取方法为子空间法;指定提取模态数为10。通过模态分析可以进一步了解结构的动力特性。结构模态分析的前三阶频率值及振型情况如表2所示。
从以上数据可以看出,本文计算结构的固有频率与实验所得的振型和固有频率比较接近。从结果分析,模型中X方向的抗侧移刚度明显大于Y方向,因此模型的一阶平动振型为Y向一阶平动。由于木结构墙体的布置,使得结构出现了扭转,所以在ANSYS分析中第三阶以及实验中都出现了一阶整体扭转。
4.2 时程分析
在振动台实验中,模型的短手方向(Y方向)为主要的加振方向。地震波采用日本建筑中心模拟波(BCJ-L2),其原始波形为最大加速度8900px/s2,波形约为0~60秒。可以看出,0.2g和0.3g的地震实验和有限元模拟中,加速度峰值的计算值和实验值误差在20%以内,但是0.1g的系列中,误差达到15%~35%。总得趋势上,计算结构小于试验结构。振动台实验中,结构模型经历了一系列的地震实验后,发生了一些可见或者不可见的损伤,造成结构的刚度下降,自振周期变大,加速度反应也逐渐变大,但是在ANSYS进行动力分析时,并未考虑多次地震造成的刚度折减,因此计算值和实验值相比较偏小是比较合理的。
由加速度时程曲线可以看出,屋面板处加速度计算值和实验值比较接近,误差仅仅为5%左右,时程曲线的形状也吻合得很好。由此可见,采用本文的模型模拟的加速度时程曲线和实验值相差不大。
5.结论
本文利用ANSYS软件对带覆面板的榫卯木结构进行数值模拟。文中将榫卯节点简化为半刚性连接,用弹簧单元来模拟,覆面板则简化为等效的桁架模型,得出了模态下的固有频率及振型,动力分析下的加速度时程曲线。文中通过将有限元分析结构和实验结果进行比对,正式采用文中的方法可以较好的模拟分析木结构的整体性能。