基于ANSYS的索—混凝土组合梁的非线性分析

・７２・　第３６卷第３期　２　０　１　０年１月　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　山　西　建　筑　ＶｏＩ．３６　Ｎｏ．３　Ｊａｎ．　２０１０　文章编号：１００９．６８２５（２０１０）０３．００７２—０２　基于ＡＮＳＹＳ的索一混凝土组合梁的非线性分析　范思冬摘秦乃兵张雷　要：主要针对索一混凝土组合梁这一新型结构，利用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ进行了非线性分析，研究了索一　混凝土组合梁在一定荷载作用下的受力模型以及其部件的拉压情况，并通过对比证实了索一混凝土组合梁的优越性。　关键词：索一混凝土组合梁，非线性，有限元分析　中图分类号：ＴＵ３９８　文献标识码：Ａ　表１结构各部件的参数　部件名称　支杆　Ｏ引言　随着我国经济和社会的发展，近一二十年来大跨度混凝土结　密度／ｋｇ・ｍ　３　截面积／　ｚ　７　８５０　２　３８Ｅ一３　弹性模量ＥＸ　２．１Ｅｌ１　泊松比　０．３　构、组合结构得到较迅速的发展。随着商业和住宅的要求提高，　对建筑开间要求越来越大。传统的做法是加大梁高或采用预应　力梁，也有采用钢结构的。加大梁高对空间利用有影响，采用预　应力梁施工麻烦，采用钢结构造价较高。因此，采用传统的钢筋　混凝土梁结构能否做成跨度大于１５　ｍ或更大，而且梁高又不大，　或根据建筑功能的要求，在传统梁高范围内布置管线（包括空调　索　钢筋混凝土粱　纵筋　７　８５０　２　５ｏｏ　７　８５０　１．２６Ｅ一３　模型中体现　４９０．８Ｅ一６　１．９Ｅｌ１　３Ｅ１０　１．９Ｅ１１　Ｏ．３　Ｏ．１７　０．３　箍筋　７　８５０　２８　３Ｅ一６　１．９Ｅｌ１　Ｏ．３　１．２　ＡＮＳＹＳ模型建立　有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学　换句话说分析必须是针对一个物理原型的准确的数学　管道），使层高不加大是摆在建筑结构工作者面前的一个难题。　行为特征，模型包括所有的节点、单元、材料属性、实常数、　在充分研究国内外资料的基础上，我们提出了采用降低钢筋混凝　模型。广义上讲，土梁高在梁下方增加预应力拉索，形成“索一混凝土弦支梁结构　边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征。在ＡＮＳＹＳ术　模型生成一般狭义的指用节点和单元表现空间体域及实际　体系”。该体系可以跨越较大跨度，满足功能要求，布置灵活。无　语中，论在公共建筑、民用建筑，还是在工业建筑等方面都有广阔的应　系统连接的生成过程。ＡＮＳＹＳ程序为用户提供了三种生成模型　的方法：实体建模、直接生成和输入在计算机辅助设计系统创建　用前景。　　本文主要利用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对索一混凝土组　的模型。合梁结构的静力特性的非线性阶段进行分析。由于混凝土承受　表２混凝土的基本参数　张开裂缝剪切传递系数　闭合裂缝剪切传递系数　单轴极限抗拉强度／ＭＰａ　单轴极限抗压强度／ＭＰａ　等压双轴抗压强度　周围静水压力　静水压力下双轴极限抗压强度　０．５５　０．９５　１．４３　１４．３　一１（不考虑混凝土压碎的情况）　０　０　荷载的过程与钢结构等线性材料有着很大的不同，应力一应变关　系呈曲线分布，该文初步研究了该新型结构的各项结构参数对结　构承载能力的影响，与普通混凝土梁的承载能力进行对比，体现　该结构的优越性。　１模型的建立　１．１　索一混凝土组合梁的模型参数　拟研究索一混凝土梁的结构示意图如图１，图２所示。　混凝土粱　静水压力下单轴极限抗压强度　拉应力衰减因子　０　０　现在依据ＡＮＳＹＳ有限元建模技术将该模型建模基本步骤简　述如下：　或　１）生成实体模型：ａ．创建整个模型的关键点（Ｋｅｙｐｏｉｎｔ）Ｉｂ．创　建线（Ｌｉｎｅ），以此模拟索及刚性杆；ｅ．创建体（Ｖｏｌｕｍｅ），以此模拟　混凝土梁。２）定义单元类型。３）定义实常数。４）设置材料属性。　５）划分网格：ａ．混凝土梁的网格划分；Ｘ方向０．１５　ｍ，Ｙ方向和ｚ　、＞＼　／　图１模型正面圈　图２模型剖面圈　方向均为０．０２５　ｍ；ｂ．支杆０．０２５　ｍ；ｅ．索０．１５　ｍ；ｄ．钢筋利用ｄｅ—　结构各部件及混凝土的基本参数见表１，表２。　】…，…，…，　’　，…，…，　ｍｅｎｔｓ建模，不用划分网格。６）施加边界条件。需要注意的是：在划　，…】…，　ｏ　’…１　Ｉ，　；　，…，…，…，　，　，　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｌａｉｌ＇ｎ　ｏｆ　ｓｕｂｓｅａ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｐｕｌｌｉｎｇ　ｈｅａｄ　ＷＡＮＧ　Ｙａｔｂｘｉｎ　ＬＵ　Ｊｉａｎ－ｈｕｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　Ｉｎｖｅｎｔｏｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏ　ｃｒｅａｔｅ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｐｕｌｌｉｎｇ　ｈｅａｄ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｅａ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ＡＰＩ．Ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｋｅ　ｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｎｇｅｒ　ａｒｅａ　ｅａｓｉｌｙ　ｄｅ．　ｓｔｒｏｙｅｄ，ｔｈｅｎ　ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｏｓｅ，ｗｅ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ｍｏｒｅ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｕｌｌｉｇ　ｈｅｎａｄ’ｓ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｖｅｎｔｏｒ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ，ｐｕｌｌｉｇ　ｈｅｎａｄ，ＡＮＳＹＳ　收稿日期：２００９—０９—２１　作者简介：范思冬（１９８４一），男，河北理工大学硕士研究生，河北唐山０６３０００　秦乃兵（１９６２．），男，博士，硕士生导师，副教授，河北理工大学建筑工程学院．河北唐山张雷（１９８４．），男，河北理工大学硕士研究生，河北唐山０６３０００　０６３０００　孝　背　范思冬等：基于ＡＮｓＹｓ的索一混凝土组合梁的非线性分析　Ｎ　Ｌ　９［１Ｉ『ｌＫ　蛐＝ｌ　Ｔ崛＝１　Ｚ　・７３・　分好网格之后，要对索与刚性杆之间做铰接处理。主要耦合索、　中位移。　杆重合节点三个平动自由度（ＵＸ，ｕｙ，ＵＺ）。对于索划分网格时，　［ＮＤⅣ］选项只能为Ｉ。　至此，索一混凝土梁的ＡＮＳＹＳ有限元模型已经建好，如图３～　图５所示。　Ｚ　ｙ　ＵＸ　（ＡＶＧ）　ＲＳＹＳ＝０　１　Ｄ（＝．０２３　８３３　７４３Ｅ一０３　＝７４ｍ一０３　＝．７４２Ｅ～０３　．４１掘一【】３—８２４Ｅ一０４　２４匝～０３　５７匝一０３　５７８Ｅ一【Ｊ３　—２４　一ｏ３　８２花０４　４ｌ重一０３　．７４置一【）３　图７　ｘ方向位移等值线　表３不同荷载对应的索一混凝土梁的跨中位移　荷载ＦＮ／Ｎ　跨中位移ｆ／ｍｍ　ｌ０．８７９　ｌ７．４７３　图３　建模后结构整体模型　Ｏ　５　０００　２对索一混凝土组合梁结构的非线性分析　２．１　对索一混凝土组合梁的模型求解　根据ＧＢ　５００１０—２００２混凝土结构设计规范第３．３．２条规定受　弯构件的最大挠度满足下面规定：当用于屋盖、楼盖还有楼梯构　件的受弯构件长度Ｌ＞９　ｍ时，挠度限值为Ｌ／３００；要求较高时，　限值为Ｌ／４ｏ０。　ｙ　１０　０００　ｌ５　０００　２０　０ｏ０　２５　０ｏ０　３０　０００　２３．８３３　３０．６６　３７　２５４　４３．８４８　５０．４４２　２．２对混凝土梁进行求解　为显示索一混凝土梁的优越性，本课题对同等跨度，相同截　面的混凝土粱，在相同荷载作用下，利用ＡＮＳＹＳ进行静力分析，　将计算结果与索一混凝土梁相比较，可以得到混凝土梁在不同荷　图４建模后结构整体　载作用下的跨中位移，如表４所示。　表４混凝土梁在不同荷载作用下的跨中位移　荷载ＦＮ／Ｎ　０　跨中位移ｆ／ｍｍ　ｌ４．６６７　Ｚ　２　５００　５　Ｏｏｏ　７　５ｏ０　ｌ０　０ｏ０　ｌ２　５ｏ０　１９　０ｌ３　２３．３５９　２７．７０５　３２　０５１　３６．３９８　４０　７４４　４５．０９　４９．４３６　图５钢筋排布图　ｌ５　０ｏ０　ｌ７　５０ｏ　以长为１２　ｍ的索一混凝土组合梁在顶面均布１０　ｋＮ／ｍ２的力　的模型为例，跨中最大位移为０．０２３　８３３　ｍ，受力等值线如图６，图７　所示。　ｙ　ＮＩｌ　＝１　Ｔ　＝１　１Ｕｎ［　ｚ　２０　０００　由表４可以清晰得出结论：将混凝土模型输入其本身的非线　性材料特性，索一混凝土组合梁结构的承载能力远远高于同等跨　度、同等截面的钢筋混凝土梁，体现出本结构的优越性。　参考文献：　ＵＹ　（ＡＶＧ）　ｉＹＳ＝０　Ｉ　＝．０２３　８３３　＝Ｏ２３　８３３　［１］　沈世钊，徐崇宝．悬索结构设计［Ｍ］．第２版．北京：中国建　筑工业出版社．２００６：１－７８．　［２］钱若军，杨联萍．张力结构的分析、设计、施工［Ｍ］．南京：东　南大学出版社，２００３：３—７４．　０２３　８３３　—０１８　５３７　—０１３　２４１　一．００７　９４４　—００２　６４８　０２Ｉ　１８５　—０１５　８８９　０１０　５９３　—００５　２９６　０　［３］　白正仙．张弦梁结构的理论分析与试验研究［Ｄ］．天津：天津　大学博士学位论文，１９９９．　图６　Ｙ方向位移等值线　［４］丁博涵．张弦梁结构的静力、抗震和抗风性能研究［Ｄ］．杭　州：浙江大学硕士学位论文，２００５．　进而可以得出在如表３所示荷载的情况下，索～混凝土梁的跨　Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０ｆ　ｃａｂｌｅ．ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　ＦＡＮ　Ｓｉ－ｄｏｎｇ　ＱＩＮ　Ｎａｉ－ｂｉｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｌｅｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｍａｉｎｌｙ　ａｉｍｓ　ａｔ．ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ，ｕｔｉｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮ—　ＳＹＳ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｌｏａｄｉｎｇ，ｔｈｅ　ｆｏｒｃｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｂｉ—　ｎａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ，ａｎｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｐｒｏｖｅｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｂｌｅ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｂｅａｍ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ