ANSYS预应力施加方法在工程分析中的应用

2013-08-14 by:广州CAE有限元应用中心来源:仿真在线

1 ANSYS在土木工程中的应用

ANSYS软件作为一个大型通用有限元分析软件,现已成为土木建筑行业CAE仿真软件的主流。ANSYS在钢结构和钢筋混凝土建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑分析等工程中得到了广泛的应用,可以对这些结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析,从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案,为土木工程师提供了强大而且全方面的分析手段。ANSYS在中国的很多大型土木工程中都得到了应用,如广州的金贸大厦、国家大剧院、佛山世纪莲体育中心、广州科技馆太空城、广州体育馆、黄河下游特大型公路斜拉桥等都利用了ANSYS软件进行有限元仿真分析。

2 ANSYS中预应力拉索的处理

ANSYS中的link10单元是空间三维杆单元,每个节点有三个自由度X,Y,Z。没有弯曲刚度,但有应力刚化和大变形能力。可通过输入参数项里的option 选项控制杆单元只受拉或只受压,很适合模拟索单元(只受拉)或模板支撑(只受压)。虽然在模拟拉索的时候可以用给拉索施加初始应变的方法来对拉索施加预应力,但经计算后发现,拉索的预应力值不是人们所预想的而是比计划的预应力小,这是由于给结构施加预应力后结构变形产生了预应力变化而导致的,要避免这种情况,真实地模拟实际的状态,利用ANSYS中单元死活的方法会比较好的解决这个问题。

在ANSYS中,“杀死”一个单元并不是将一个单元移除,而是把刚度、质量和单元荷载设为一个相当小的数值,这样所产生的效果就是移除这个单元时所得到的计算结果。当单元被激活时,它的刚度、质量和单元荷载返回原始值,但没有应变历史的记录。然而,以实常数形式定义的初应变则不受单元死活选项的影响,当大变形效应开关打开时(NLGEOM,ON),为了与当前的节点位置相匹配,单元的形状被改变。这样,可利用hnk10单元的初应变选项和死活单元的特性来实现索力的初始张拉力和索力的调整。

3.1 工程简介

广州体育馆屋盖为大跨度空间析架十交叉支撑拉索轻型钢结构,其主场馆跨度为160mx110m。屋架构件由钢支座、纵向主析架、辐射析架、周边箱形水平钢环梁、钢擦条及支撑拉索组成,辐射析架上端与主析架闭合框焊接,下端用端板与周边钢环梁连接。屋盖上弦面间距10m设置环向上擦条,周边端开间设交叉钢索支撑,上弦面另有4道径向水平交叉钢索支撑,辐射析架间在上弦主擦条位置加设环向垂直交叉钢索支撑,所有交叉钢索均施加25 kN-40 kN 的预应力。

3.2 ANSYS中单元的选取和划分

经过对此网架结构的受力特点进行初步分析,因每根杆件的受力特点均以拉压为主,所受弯矩较小,所以杆件采用beam189单元进行模拟,这个单元是3d杆单元,具有3个节点,每个节点有6个自由度,采用铁木辛柯梁理论,可以选择截面的形状。拉索单元采用link10单元。

由于结构采用抗震支座,抗震支座要满足切向刚度和阻尼的要求,所以用仪爪combin14单元来模拟支座,combin14是空间两节点的弹簧单元,可以自由设置刚度与阻尼特性。

3.3 建模技巧和方法

本模型全部采用APDL语言建模,与GUI方式相比APDL有着其独特的优点,APDL可以通过变量与循环来控制所生成的点、线、面,使得一些重复的劳动得以避免,大大地加快了模型的输入速度。该工程中辐射析架的分布非常地有规律,所以采取了循环控制的建模方式,先通过简单的循环建立生成单福的辐射析架的命令流,后将这段命令流进行循环,通过在循环过程中代人不同的辐射析架底端点生成其他的辐射析架。用这种方法,不但减少了大量的重复劳动,而且可以严密地控制节点编号,为以后荷载的施加创造了良好的条件。

3.4 分析结果

3.4.1 模态分析

通过模态分析计算得到结构的固有频率如表1所示,第一阶振型表现为主析架的弯曲模态。

3.4.2 静力分析
对结构施加恒载、活载、风荷载,得到该种工况下的内力,而温度则作为一种单独的活载工况施加于屋盖上。在恒载和满布活载作用下,辐射析架上弦杆以受压为主,屋盖两端部辐射析架R12,RT3,RT4和RT38,RT39,RT40下弦杆全部受压,其他辐射析架下弦杆则在靠近屋脊和环梁部分受压,中间部分受拉。但在风荷载和半边活载共同作用下,各棍辐射衔架下弦杆则全部受压。

3.4.3 动力分析

对于大规模的空间结构,屋盖自由度很多,利用振型分解反应谱法计算时先采用Block Lanczos法求出前108阶振型,然后用CQC法藕合得到地震反应。输人的反应谱为地震反应谱,地震影响系数。借鉴JGJ99-98高层民用建筑钢结构技术规程的。曲线确定,amax取7度基本烈度所对应的值。经计算,采用振型分解反应谱法计算所得的地震作用下,杆件内力小于风荷载作用下的杆件内力,风荷载所引起的杆件内力在规范允许的范围内。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才