基于ansys的结构施工过程有限元分析

基于ansys的结构施工过程有限元分析

1结构施工过程分析结构分析与传统结构设计分析的主要区别在于，首先，工作负载不同，其特点是载荷值和时间随着时间的推移而变化。其次，随着施工过程的开始，结构线性可能会发生变化，并且在静态结构体系中的内力分配可能会受到重分配。这两种因素使整个结构在施工过程中,内力具有时空变化特征,每个构件内力设计要按自身变化过程中的最大值为依据,而其最大值发生时刻,对系统中每个构件来说又是不一样的。完善的设计计算,应同时考虑结构在正常使用荷载下的状况以及结构施工过程中内力随时空变化的影响。为了计算出结构施工完成后的状态,只有根据结构实际施工过程逐步推进,原因在于结构体系、边界约束、荷载形式在不断的改变。前期施工的混凝土发生的徐变,对后期施工的几何位置会造成影响,因此,前一阶段结构状态将是后一阶段结构分析的基础。将这种按施工阶段前后次序进行的结构分析方法称为正装算法,也称前进分析法,按照该法可跟踪仿真计算出各施工阶段的控制参数,以指导施工的正常进展,使结构体系最终达到设计状态。ANSYS软件是一个通用的大型有限元软件,有着种类丰富的单元库,而且大多数单元都具有被“激活”和“杀死”的功能,通常称之为生死单元功能,对应着EALIVE和EKILL这样两个生死单元的命令。前者使结构参加承载,后者将单元虚设,并不参与结构的承载。“激活单元”是指结构在现有的受力状态下,将结构的某个部位的单元激活,参加结构的受力和变形;“杀死单元”是指结构在某一状态下,某些结构构件被撤除,而被撤除构件的内力以反力作用于结构上,而使结构发生进一步的内力和变形。利用单元“激活”和“杀死”的功能就可以很好的模拟施工过程。但是长期以来,对于杀死的单元是否应该约束以及应该如何约束的问题一直没有得到很好的解决,这也直接关系到结构几何位置的正确性以及模拟的精确度,本文将通过举例说明此问题。2死刑单元约束本文选用了两个简单而又典型的实例,利用ANSYS高级分析技术生死单元以及设置相应的荷载步来模拟施工过程,介绍其应用过程中与杀死单元相连节点的约束问题。分析中采用一次建模的方法,荷载步的设置反映了施工过程中每一施工步的受力状况。2.1二段式结构施工过程的模拟2.1.1杨氏模量较差分析二层框架结构施工过程中的受力,各段的长度均为10m,容重为25kN/m3,第一层框架的杨氏模量为3.5×1010Pa,第二层框架的杨氏模量为3.5×1012Pa。两个杨氏模量相差两个数量级,这是为了保证第二层受力而第一层不受力时,第一层相对于第二层而言变形很小,可以忽略不计,可等效为第二层直接固结在地基上,本文中的理论弯矩值(误差参照值)就是据此得到的。施工过程见图1,集中力F2=1000N,F1为变量。结合施工顺序,施工过程被划分为四个荷载步,第一步:施工第一层框架;第二步:施加集中力F1;第三步:施工第二层框架;第四步:施加集中力F2。理论弯矩值即为固结节点1和节点22(节点位置如图2所示),在节点2施加水平方向集中力F2时两节点的弯矩值。2.1.2确定死单元的激活位置ANSYS有限元模型图见图2,应用ANSYS模拟实际施工过程阶段1及施加集中力F1过程需要将节点1和节点22上方的所有单元杀死,即等同于其不存在,这两步计算结果不存在误差。图3对应于第二层框架施工后,虚线为杀死单元激活位置,其中,图(a)是在杀死单元的过程(施工第一层框架并施加集中力F1)中约束节点3至节点31的所有自由度的变形图,图(b)是约束节点3至节点31的z方向转动自由度的变形图,图(c)为所有节点无约束的变形图。图4分别为节点2在三种约束条件下弯矩误差随集中力F1变化曲线图,其中,弯矩为整个施工过程完成后的Mz值,理论值由第二层框架直接与地基固结并在对应位置施加集中力F2得到。2.1.3集中力a的影响由图4可知在集中力F1较小时,三种方法的误差接近,随着集中力的增大,方法一的误差一直在增大,结合图3(a)可以发现集中力越大,节点1和节点22位移也越大,那么与其相连的两个单元的变形与实际越不相符,即误差越大;方法二和三的误差接近可以接受。2.2悬臂施工模拟2.2.1施工过程划分悬臂施工是在已建成的桥墩上,沿跨径方向逐段对称施工的方法。本例简单的模拟悬臂施工过程中的受力,0号块长5m,1号块为3m,容重为25kN/m3,0号块的杨氏模量为3.5×1010Pa,1号块的杨氏模量为3.5×1012Pa,两个杨氏模量值相差两个数量级的原因与例1相同。施工过程见图5,集中力F2=1000N,F1为变量。结合施工顺序,施工过程被划分为四个荷载步,第一步:施工0号块;第二步:施加集中力F1;第三步:施工1号块;第四步:施加集中力F2。2.2.2种约束方法对比ANSYS有限元模型图(见图6),ANSYS模拟施工过程第三步完成后杀死单元过程中三种约束方法计算示意图如图7,图8和图9分别为节点1和节点4(节点位置如图6所示)弯矩误差随集中力F1变化曲线图,分析过程与例1类似。2.2.3集中力fps的误差由图8与图9可知在集中力F1较小时,三种方法的误差都很小。随着集中力F1的增大,对于节点4,方法一与方法二误差较小;而对于节点1,方法二误差较小。3计算结果通过对比以上两个计算示例,可以得出下面的结论:(1)位移很小时(线性小变形),三种约束都可以接受,这时一般选择全部约束。因为同一结构在相同受力条件下,约束越多计算费用越小,所以选择全部约束最经济。(2)位移较大时(大变形),此时须约束Z方向转动,其它两种约束的精度相对较低。(3)从以上分析中可以发现:无论何时都不应该选择第三种方法,这是一种计算精度低而计算费用高的方法。对于施工与设计高度耦合的结构(比如斜拉桥)而言,正确的模拟施工过程尤其重要。对实际结构而言施工步(ANSYS中荷载步)很多,这时对单元的约束就更需慎重,由于计算误差是在“杀死”与“激活”转换的过程中产生,为了节约计算费