專業連載文章 | ANSYS中索單元的二次開發 Part4-索結構中鋼棒結構模擬的應用探討

2017-03-10  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

預應力鋼棒體系作為預應力鋼結構中的一種新型張拉錨固體系,近年來在國內外大型公共建筑中逐漸被采用,比如上海新國際博覽中心、深圳游泳跳水館等,并常作為結構的水平及豎向抗側力構件、承重拉索和張弦梁下弦等構件使用。通常鋼棒被定義為索的一種,在實際工程設計中亦使用索的理論進行,但索單元的理論是基于抗彎剛度EI為零這一假定下推導的,因為鋼索是由細鋼絲絞成,其抗彎剛度很小,不考慮抗彎剛度是可行的,而對于鋼棒而言,因其為大直徑實心體,而應力較柔索小,那么在ANSYS中如何模擬呢,筆者在下文中主要對這塊通過實例進行了解釋說明。

在ANSYS中,因為考慮到鋼棒自身的抗彎剛度,所以并不適合用索單元來進行模擬,而應該使用空間beam4單元來模擬鋼棒,該單元支持應力剛化及大應變,并能夠自動反映抗彎剛度對自身的影響,需要指出的是必須打開大變形開關及應力剛化效應,這才能符合大位移、小應變的假定,既能反映索的特性,又能反映梁的特性;不然的話,計算程序對于鋼棒會按普通梁計算,即荷載產生的跨中彎矩全部由梁承擔,而無軸向力產生,這樣的計算結果是不正確的。

上圖為某展覽中心工程的空間三維圖,為一典型的張弦結構,其上弦為箱梁,下弦為 3根并列的鋼棒,鋼棒最大長度為25m,直徑均為140mm,彈性模量E =2e5N/mm2,兩端均為鉸接。整個張弦梁一端由變截面梁支承,另一端支承在剛度很大的主體結構的牛腿上,通過一個人造橡膠支座與之相連,即其平面內水平方向上沒有約束,可以自由滑動,模型將釋放水平向的約束;與之對應的,下弦鋼棒的預應力是通過對箱梁的超高安裝,并在其自重作用下產生水平滑動而在鋼棒中產生拉應力,與此同時箱梁達到設計曲線。在這個過程中,箱梁的超高安裝非常重要,因為其準確性不但關系到鋼棒中預應力的施加,還會影響整個屋面的曲線。筆者通過計算各個節點在自重作用下的位移,來指導施工時的預起拱數值,以保證鋼棒預應力的施加及整個屋面曲線的形成。

本文中為了便于說明問題,僅取出中間一榀計算,即作為平面索拱進行計算。筆者一是使用beam4的離散單元,并釋放節點處平面內的轉動約束,另外,也使用了用戶索單元同它的計算結果進行了對比分析和比較。結果表明,使用beam4具有最高的精度,而使用索單元并修正垂度的情況下也可以取得接近的結果,那么在實際工程應用中,使用beam4為最簡單可靠的方法,但一定要打開大變形開關及應力剛化效應來考慮這種自身抗彎剛度特別小的鋼棒,而不能簡單的把其看作是普通的梁單元,這是大家在模擬仿真時需要特別注意的。

需要補充一點的是,ANSYS中二次開發的索單元其實是可以通過引入垂度修正系數的辦法來達到使用Beam4一樣的精度和效果,但因為在實際應用中比較麻煩所以沒有得到運用,但從理論探討和深入了解機理的角度,還是值得我們去研究,這一塊筆者就不再贅述,感興趣的朋友可以去參考相關文獻,里面會有比較多的理論推導和分析,主要是供研究機理的朋友們去認真細究。

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