某奥运场馆结构的静力及模态分析

2013-05-03 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

某奥运场馆结构的静力及模态分析

王泽强
中国矿业大学力建学院,100083

秦杰钱英欣
北京市建筑工程研究院,100039

[ 摘要 ] 某奥运场馆平面近似椭圆,长轴144米,短轴130米,总高度13.04米。规模较大,结构复杂,用一般的软件很难得到满意的结果,为此使用了大型结构分析软件——ANSYS8.0对建筑结构进行了合理的建模,并对其进行了静力和模态分析,在静力分析中进行了各种荷载组合,得出了梁、柱、墙、板等构件的变形、轴力、弯矩等结果,提出了该结构的薄弱构件,对结构设计有一定的参考价值;并得出了该结构的前40阶频率和振型,并对振型特点进行了分析。

[ 关键词 ] ANSYS静力分析模态分析

The Static and Modle Analysis of an Olympic Games Stadim

Wang Zeqiang
China University of Mining and Technology in Bei Jing,100083

Qin Jie Qian Yingxin
Beijing Building Construction Research Institute,100039

[ Abstract ] The plane of a Olympics building looks like oval. The length of major axis is 144 meter.The length of minor axis is 130 meter. And the length of height is 13.04 meter. The scale is large and the construction is complicated. It is not satisfied with using the general software,so a reasnoble modeling is created by large-scale structure analysis softwear-ANSYS8.0. The static and mode anlysis is carried out for the structure.All kinds of loads are assembled in the static anlysis.The distortion,axial force,moment of flexion results of beam,pile,wall and plate are acquired.And the weak components in structure design are pointed out.It will be of benefit to structure desigen.At the same time,the preceding 40 frequencies and vibration patterns are also obtained and the trait of vibration patterns is analysed.

[ Keyword ] ANSYS Static Analysis Modal Analysis

1 前言

该奥运场馆规划用地面积约6.65公顷,建筑面积3.2万平方米,可容纳观众6000人。

一层包括正对主场馆直径132m的圆盘下方、东侧扩展为矩形的群房及向北延伸的单层条形部分,本层集中了除赛场以外的绝大部分管理、接待、办公、休息、技术支持、设备机房及交通辅助部分。二层是马鞍形主赛场,中间为内场及环绕内场的木质赛道。在赛场7.5米标高处设置有环形的休息大厅,休息大厅周边均匀地布置了作为赛场垂直交通枢纽的楼梯、电梯、卫生间等用房。该场馆平面近似椭圆,长轴144米,短轴130米,总高度13.04米。规模较大,结构复杂,用一般的软件很难得到满意的结果,为此使用了大型结构分析软件——ANSYS8.0对建筑结构进行了合理的建模,并对其进行了静力和模态分析,在静力分析中进行了各种荷载组合,得出了梁、柱、墙、板等构件的变形、轴力、弯矩等结果,提出了该结构的薄弱构件,对结构设计有一定的参考价值;并得出了该结构的前40阶频率和振型,并对振型特点进行了分析。

2 结构分析模型的建立

计算模型正确与否是进行有限元计算的首要问题,由于该结构体形复杂,不能采用常规的结构方法对该奥运场馆进行简化计算,另一方面也不允许对结构做太大的简化。为了确保模型符合实际,采取了如下措施:

(1) 几何尺寸的准确是建模中最基本也是最重要的一步,我们根据设计图纸,利用AUTOCAD程序将PKPM生成的图形文件进行修改,将双线梁取其中线,柱子取其中心,并相应的生成单线柱。在AUTOCAD中尽量保证计算模型符合实际情况的前提下,建立了该模型的三维图形。

(2) 单元的选取与网格的划分:选用了高精度的单元类型,采用不同的单元类型:
梁、柱采用Beam188,楼板采用Shell63,并采用Surf154来加竖向荷载,各种单元类型适用结构的不同受力和变形特点,网格划分尽量采用高精度的网格形式。

(3) 计算模型的规模:建模过程中,采用随建随校核的方法,最后建成一个总质量
为2.0847×104?,具有41938个单元、34种截面类型、147564个自由度的三维分析模型。如图1所示:

某奥运场馆结构的静力及模态分析+应用技术图片图片1

3 静力分析计算

根据设计院提供的结构荷载信息,包括恒载和活载,该结构由于外部结构直接作用于基础连续梁墙上,所以不考虑风荷载和雪荷载对内部结构的作用。当非抗震设计时,效应组合可分别按式(1)、(2)计算,其中(1)用于计算结构内力,式(2)用于计算结构位移。

S=1.2SGK+1.4SQ1K,(应力、力) (1)

式中:SGK——按恒荷载计算的荷载效应值

SQ1K——按活载计算的荷载效应值

S=1.0 SGK+1.0 SQ1K。(位移) (2)

对模型进行静力计算,也即计算SGK和SQ1K,依据公式(1)、(2)将计算结构进行工况组合。

某奥运场馆结构的静力及模态分析+应用技术图片图片2

各个层楼板位置(见下图2):

某奥运场馆结构的静力及模态分析+应用技术图片图片3

梁柱最大轴力为:4070kN(见图3);
梁柱最大应力为:8.01Mpa
梁柱上最大弯矩:My=2350kN.m(见图4)
Mz=2090 kN.m(见图5)

结果分析:

(1) 由表1可知,由于板厚适宜(0.15米),柔度适中,板的一般竖向位移为0.025米左右,在标高为6.95米处的跨度较大,竖向位移稍大,为0.032629米,达到规范的要求。
(2) 结构的开间不大,最大的为17.32米,而且梁的截面尺寸相对较小,受力不算很大,但是应力比较大,建议配预应力筋,以调节梁的应力,满足规范的要求。
(3) 楼板的跨度比较大,而且四季温差比较大,因而楼板的温度应力是不可忽视的。
(4) 由于较多梁和柱汇交同一节点,会产生较大的应力集中,因而在梁柱节点处要做细致处理。
(5) 所的计算结果表明设计对静力而言基本合理的。

4 自振特性分析

由于结构跨度较大,对结构的动力响应和抗震性能分析是十分必要的。为了求解结构的自振特性:频率、周期和振型,一般按无阻尼自由振动考虑,且认为结构处于线弹性阶段,经过界处理后,设结构作简谐振动,其振动方程为:

([K]-ω2[M]){Φ}={0} (3)

其中,[K]为结构总刚矩阵;[M]为结构质量矩阵;ω为结构的自振频率;{Φ}为振型向量。

可以通过下式求出结构的各阶频率:

|K-ω2M|=0 (4)

由于该奥运场馆是典型的三维空间结构,频率较密集,振型较多,经反复试算后,取结构前40个自振频率和振型(表2)。

其前9阶振型(篇幅有限)如图3所示。

从图中可以总结出结构的振型特点为:

(1) 基频较高。第一频率为3.3674Hz,体现了该结构的整体刚度比较大的特点;
(2) 自振频率比较密集。第一频率为3.3674Hz,第四十振型的频率为7.1814 Hz,频率只相差3.814 Hz,频谱变化均匀,无频率跳跃的现象体现了该结构动力性能的复杂性。
(3) 竖向振型为主。绝大部分振型表现为竖向振型,主要发生在楼板上,且靠近边缘,这是由于梁柱的水平刚度比较大,致使竖向振型容易背激发出来,这也是大跨空间的一个显著特点;
(4) 局部振型明显。大多数的振型表现在上部,并靠近边缘,这是由于下部的结构刚度比较大,上部的刚度相对较小。

某奥运场馆结构的静力及模态分析+应用技术图片图片4

某奥运场馆结构的静力及模态分析+应用技术图片图片5

[ 参考文献 ]

[1] Ansys使用手册,美国Ansys公司驻京办事处
[2] GB50009-2001,建筑结构荷载规范
[3] GB50010-2002,混凝土设计规范
[4] 王国强,实用工程数值模拟技术及其在ANSYS中的应用,西安,西北工业大学出版社。1999。
[5] 郭全全,张文芳,吴桂英,刘季康,李珠,中国国家大剧院结构地震分析,工程力学,第20卷第二期,2003年4月。
[6] 贾凡,徐国彬,杨维国,国家大剧院建模分析,空间钢结构,2001年第6期。
[7] 李珠,秘蓬勃,张文芳,中国国家大剧院结构静力分析,山西建筑,2003年2月。

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