MIDAS/Gen張弦結構分析

2016-12-13 by:CAE仿真在線來源:互聯網

張弦結構分析

概要

此例題將介紹利用MIDAS/Gen做張弦結構分析的整個過程,以及查看分析結果的方法。

該例題的建模部分可以參見MIDAS/Gen語音資料的弧形網架建模動畫,這里不再做介紹。通過該例題希望用戶能夠了解做張弦結構分析的一般步驟和過程,重點是讓用戶了解在MIDAS/Gen中施加和調整索單元張拉力的方法、幾何非線性分析的設置及如何對帶有索單元的結構進行彈性反應譜分析。

張弦結構概述

張弦結構是將上弦剛性受壓構件通過撐桿與下弦拉索組合在一起形成自平衡的受力體系,是一種大跨度預應力空間結構體系。

張弦結構上弦剛性構件可以是實腹式梁,也可以是格構式桁架,據此對不同的張弦結構可稱作張弦梁或張弦桁架。本例題中介紹的模型使用張弦桁架。

張弦結構的特點

張弦結構在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時,由于引進了具有抗壓和抗彎能力的桁架或梁而使體系的剛度和穩(wěn)定性大為增強。

對張弦結構中索施加一定的預拉力,這既可使索具有適當的初始繃緊度,也可對索與桁架或梁之間的受力比例進行必要調整;既充分發(fā)揮了索的抗拉能力,又調整了桁架或梁的內力分布(使桁架或梁中的內力分布趨于均勻)

張弦結構的形態(tài)定義

張弦結構像懸索結構等柔性結構一樣,根據張弦結構的加工,施工及受力特點,通常將其結構形態(tài)定義為零狀態(tài)、初始態(tài)和荷載態(tài)三種。

(1):零狀態(tài)

零狀態(tài)是拉索張拉的前狀態(tài),實際上是指構件的加工和放樣狀態(tài),通常也稱結構放樣態(tài)。

當索張拉完畢后,結構上弦構件的形狀將發(fā)生偏離,從而不能滿足建筑的要求,因此,張弦結構上弦構件的加工放樣要考慮這種索張拉后帶來的變形影響,這是張弦結構要進行零狀態(tài)定義的原因。

(2):初始態(tài)

初始態(tài)是拉索張拉完畢后,結構安裝就位的形態(tài),通常也稱預應力態(tài)。

初始態(tài)是建筑施工圖中所明確的結構外形。

(3):荷載態(tài)

荷載態(tài)是外荷載作用在初始態(tài)結構上發(fā)生變形后的平衡狀態(tài)。

張弦桁架在MIDAS中的計算

此例題的分類及各自的步驟如下:

一、在工程中已知索單元初拉力的情況下,加其它荷載進行分析,求索單元的拉力變化及結構的變形。

1. 打開建好的張弦桁架模型、輸入其它荷載

2. 輸入索單元的初拉力(即對索單元進行張拉)

3. 定義幾何非線性分析控制數據

4. 運行結構分析

5. 查看結果

二、對帶有索單元的結構進行反應譜分析

1. 打開建好的張弦桁架模型

2. 添加各類荷載、設定反應譜及工況

3. 使用小位移輸入索單元的初拉力(即對索單元進行張拉)

4. 運行結構分析

5. 查看有關結果

分析模型與荷載工況

本例題張弦桁架的幾何形狀、邊界條件以及所使用的構件如圖1所示。本例題的邊界條件設定為一端鉸接,另一端為滑動支座。本例題中荷載只考慮自重、屋蓋作用恒荷載、活荷載、索的初拉力。(本例題數據僅供參考)

注意:進行幾何非線性分析時,需要查看幾種荷載按一定的方式進行荷載組合作用后的結果,必須將該荷載組合作為一個工況進行非線性分析,查看該工況的結果。不能象彈性分析時,直接查看分析后幾種單獨工況的線性組合結果。

? 荷載工況 1 – 自重

? 荷載工況 2 –屋面恒荷載 10kN (節(jié)點荷載)

? 荷載工況 3 –屋面活荷載 5kN (節(jié)點荷載)

? 索初拉力 770kN

圖1 分析模型

輸入各種荷載

自重、屋面恒、活荷載的輸入

設定荷載工況,輸入自重、屋面恒荷載、屋面活荷載。關于荷載的輸入,可以參見平面網架的例題。

由荷載組合建立荷載工況

在使用非線性分析的時候,需要查看幾種荷載按一定的方式進行荷載組合作用后的結果,必須將該荷載組合作為一個工況進行非線性分析,查看該工況的結果。分析結束后,將不同的荷載工況分別乘以不同的組合系數進行疊加組合的方法,只適合于線彈性的分析。MIDAS/Gen中可以通過“荷載>由荷載組合建立荷載工況”將某一荷載組合生成一種荷載工況,再利用該工況進行分析。

本例題中,假設需要查看的是在1.2倍恒荷載(包括自重)和1.4倍活荷載(即 1.2D+1.4L)組合下的結果。

注意:使用該功能的時候,程序只將荷載組合中原來各個工況已經添加的荷載復制到新建的工況中,但是原來工況中在使用該功能后添加的荷載,程序不會自動復制。

例如在本例題中,如果在利用該功能生成了新的名為“1.2D+1.4L”的荷載工況后,又在“D”荷載工況中,添加了新的恒荷載,那么,新添加的恒荷載不會自動的復制到“1.2D+1.4L”的荷載工況中,需要利用該功能再手動生成一次。

圖2 由荷載組合生成荷載工況

添加索單元的初拉力

在MIDAS/Gen中,進行幾何非線性分析(大位移)分析時,給索單元加初拉力的方法有三種:

1、荷載>初始荷載>大位移>幾何剛度初始荷載,

2、在建立單元的時候,“單元類型”選擇為索單元時,使用無應力長度“Lu”或者直接加“初拉力”,

3、荷載>預應力荷載>初拉力荷載。

方法一施加的初拉力相當于內力。這可以用以下兩點來理解:一是該力不屬于任何荷載工況。在查看某一荷載工況下的索單元內力時,顯示的數值為該荷載工況作用下索單元內力和索中初拉力兩者的合力。二是它只作用在施加了力的索單元上,在分析時該方法加的初拉力只影響索單元的剛度,不會對結構中其它構件產生內力或者位移。(添加一個空工況,即只給工況類型,不添加任何屬于該類型的荷載值,分析后可以看到空工況作用下結構中不產生位移,只有索單元有內力,其余構件的內力為零。)

幾何剛度初始荷載提供的是剛度,而不是外力,外力是會對整個結構產生影響的。可以這樣理解,在進行幾何非線性分析的時候,索其實相當于桁架,只是在每一步迭代時,索單元內的拉力會不斷變化,索單元的剛度也在不斷變化,索單元就好比是一根截面在不斷變化的桁架單元。

2 使用建立單元的時候添加初拉力和添加初拉力荷載的方式給索單元施加張拉力,對結構的作用是一樣的,即在張拉力和相同的外荷載作用下,結構的反應是一樣的。只是二者的用途稍有不同,方法二比較直接,但是不適合做分批張拉索的施工階段分析,方法三則適用于施工階段分析。

2 在只使用“初拉力荷載”給索添加初拉力的時候,分析時有時候會提示錯誤或者不收斂,此時,可以添加一個較小的“幾何剛度初始荷載”,這樣分析的時候容易收斂,對索單元的內力影響也不大。

方法二、三施加的初拉力相當于外力。它們的共同點是都會對結構中的其它構件產生影響,帶來位移及內力。但是兩者又有不同,最主要的不同是:建立索單元的時候添加的初拉力,既是外力,同時還影響索單元在計算時候的初始剛度;而使用“初拉力荷載”添加的初拉力,只是外力,不影響索單元在計算時候的初始剛度。另外二者還有以下的不同:

方法二施加的初拉力,不需要設定為荷載工況,在計算后,查看某工況下的結構內力時,得到的結果是該工況和初拉力共同作用的結果。(可以在模型中添加一個空工況,分析后可以看到該工況下,結構中會產生位移,除了索單元有內力外,其余構件也會有內力。)

在分析時該方法加的初拉力既影響索單元的初始剛度,又對其它構件產生內力。

工程中,如果需要模擬張拉索單元后,考慮其它構件中也帶有內力的情況,可以使用該方法添加初拉力,然后可以進行結構在其它工況的荷載作用下的非線性分析。

方法三需要設定初拉力為某一荷載工況,當需要查看另外一個工況和初拉力共同作用的結果時,要將二者放在同一個工況內,進行非線性計算。在需要考慮施工過程(例如分批張拉索單元)的時候,可以采用這種方法施加初拉力并設定施工階段進行分析。MIDAS/Gen施工階段的定義可參加相關例題。

在本例題中,使用建立索單元的時候添加初拉力的方法。