关 键 词：

毕业设计论文

资源描述：

应用ANSYS有限元软件简化转换层计算模型,毕业设计论文

内容简介：

四 川 建 筑 第 28卷 2期 2008104应 用 ANSYS有 限 元 软 件 简 化 转 换 层 计 算 模 型刘 远(西 南 交 通 大 学 土 木 工 程 学 院 ,四 川 成 都 630031)【 摘 要 】 高 层 建 筑 的 转 换 层 设 计 是 一 个 比 较 复 杂 的 问 题 ,应 用 ANSYS软 件 对 上 承 托 剪 力 墙 的 梁 式 转换 层 进 行 竖 向 受 力 分 析 ,上 部 和 下 部 楼 层 分 别 取 不 同 层 数 进 行 计 算 ,可 以 得 出 一 个 最 合 适 的 计 算 模 型 简 图 。【 关 键 词 】 有 限 元 ; 有 限 应 变 梁 单 元 ; 弹 性 壳 ; 高 层 结 构 ; 转 换 层 ; 转 换 梁 ; 剪 力 墙【 中 图 分 类 号 】 TU973 + 12 【 文 献 标 识 码 】 B在 高 层 建 筑 结 构 中 ,当 下 部 楼 层 的 结 构 体 系 与 上 部 楼 层差 异 较 大 ,或 者 下 部 楼 层 竖 向 结 构 轴 线 距 离 扩 大 ,或 者 上 下部 结 构 轴 线 错 位 时 ,就 必 须 在 结 构 改 变 的 楼 层 布 置 转 换 层 结构 。 目 前 在 工 程 中 应 用 的 转 换 层 主 要 结 构 形 式 有 :梁 式 、 空腹 桁 架 式 、 斜 杆 桁 架 式 、 箱 形 和 板 式 等 。在 这 些 结 构 形 式 中 ,转 换 梁 由 于 其 受 力 明 确 、 传 力 路 径清 晰 、 施 工 简 单 等 优 点 ,在 现 代 高 层 结 构 中 应 用 最 为 广 泛 。转 换 梁 上 部 可 承 托 剪 力 墙 (即 托 墙 形 梁 式 转 换 层 ) ,也 可 承 托框 架 结 构 (即 托 柱 形 梁 式 转 换 层 )。 本 文 用 ANSYS对 托 墙 式转 换 层 进 行 有 限 元 分 析 ,以 达 到 简 化 梁 式 转 换 层 计 算 的 目的 ,希 望 对 广 大 设 计 人 员 具 有 一 定 的 参 考 价 值 。笔 者 所 做 的 工 作 是 应 用 ANSYS中 的 BEAM188 3 - D单元 模 拟 结 构 中 的 梁 和 柱 ,用 SHELL - 63单 元 模 拟 结 构 中 的剪 力 墙 。 然 后 在 不 同 的 上 部 剪 力 墙 层 数 的 情 况 下 计 算 转 换梁 的 内 力 ,以 此 来 确 定 比 较 精 确 的 计 算 模 型 。1 BEAM188 3 - D线 形 有 限 应 变 梁 单 元BEAM188适 合 分 析 纤 细 的 、 不 怎 么 粗 短 的 梁 结 构 。 该单 元 基 于 Timoshenko 梁 理 论 , 考 虑 了 剪 切 变 形 效 应 。BEAM188是 线 形 (两 节 点 )三 维 梁 单 元 。 在 每 一 个 节 点 有 6个 或 7个 自 由 度 ,自 由 度 的 数 量 依 赖 于 KEYOPT (1)选 项 的值 。 当 KEYOPT(1) = 0 (系 统 默 认 )时 ,每 个 节 点 有 6个 自 由度 ,分 别 是 X 、 Y、 Z、 的 三 个 转 动 自 由 度 。 当 KEYOPT (1) = 1时 ,将 有 7个 自 由 度 (考 虑 翘 曲 变 形 )。 该 单 元 可 以 应 用 于 线形 、 大 转 动 或 者 非 线 形 大 应 变 问 题 。BEAM188单 元 要 求 定 义 轴 的 方 位 ,通 常 使 用 1个 点 K和 梁 的 两 个 端 点 I和 J定 义 一 个 平 面 ,梁 的 Z轴 就 在 这 个 平面 KIJ内 (图 1)。 该 平 面 定 义 了 空 间 梁 轴 的 方 位 ,以 便 计 算空 间 梁 的 截 面 特 性 。 但 要 注 意 :选 取 的 K点 ,不 能 在 梁 的 轴及 其 延 长 线 上 。2 SHELL63弹 性 壳SHELL63具 有 弯 曲 及 薄 膜 特 性 。 与 平 面 同 方 向 及 法 线方 向 的 荷 载 皆 可 承 受 。 元 素 具 有 X, Y, Z位 移 方 向 及 X, Y, Z旋 转 方 向 的 6个 自 由 度 。 应 力 强 化 及 大 变 形 的 效 应 也 应 适用 于 该 元 素 。 可 选 择 连 续 性 相 切 矩 阵 ,用 于 大 变 形 (有 限 的旋 转 )分 析 (图 2)。图 1 BEAM188 3 - D线 形 有 限 应 变 梁 单 元图 2 SHELL63弹 性 壳3 计 算 模 型采 用 BEAM188单 元 模 拟 梁 和 柱 ,用 SHELL63单 元 模 拟剪 力 墙 来 进 行 受 力 分 析 。为 考 察 转 换 梁 承 托 层 数 对 其 内 影 响 的 变 化 规 律 ,分 析 图3所 示 的 计 算 简 图 ,计 算 的 三 维 模 型 如 图 4所 示 。 分 析 计 算时 分 别 取 上 部 墙 体 层 数 n = 2, 3, 4层 ,上 部 结 构 层 高 310 m,收 稿 日 期 2007 - 05 - 09作 者 简 介 刘 远 (1981 ) ,在 读 研 究 生 ,研 究 方 向 :高层 结 构 转 换 层 。821 工 程 结 构 nts四 川 建 筑 第 28卷 2期 2008104表 1 依 据 图 3的 内 力 计 算 结 果位 置 n = 2 n = 3 n = 4M N V M N V M N V010 ln - 2137 - 1411 - 6162 - 2114 - 1316 - 6124 - 2112 - 1316 - 6109011 ln 1108 3138 - 3129 1115 3111 - 2182 1116 3106 - 2176012 ln 1157 5176 - 1131 1150 5103 - 0188 1150 4190 - 0182013 ln 1151 7116 - 0160 1132 6100 - 0126 1130 5180 - 0121014 ln 1138 7185 - 0125 1114 6143 - 0106 1112 6118 - 0104015 ln 1136 8108 0100 1108 6155 0100 1105 6128 0100注 :M 单 位 为 103 kN m; V单 位 为 103 kN; N 单 位 为 103 kN。墙 体 厚 013 m;下 框 架 柱 截 面 尺 寸 112 112 m;转 换 梁 截 面尺 寸 016 m 116 m,净 跨 为 ln = 1112 m;混 凝 土 强 度 等 级C30,均 布 荷 载 q = 3 103 kN /m。 在 ANSYS中 建 立 的 三 维 模型 如 图 4所 示 ,其 内 力 的 计 算 结 果 见 表 1。图 3 计 算 简 图 图 4 ANSYS中 建 立 的 三 维 模 型为 考 察 转 换 梁 下 部 结 构 层 数 对 转 换 梁 内 力 的 影 响 ,分 析图 5,计 算 三 维 模 型 如 图 6所 示 。 上 部 结 构 取 4层 ,下 部 结 构取 1、 2层 ,上 部 结 构 层 高 310 m,墙 体 厚 013 m;下 框 架 柱 截 面尺 寸 112 m 112 m;转 换 梁 截 面 尺 寸 016 m 116 m,净 跨 ln= 1112 m,框 架 梁 截 面 尺 寸 为 014 m 018 m,其 计 算 结 果 如表 2。 转 换 梁 下 部 取 一 层 和 取 二 层 的 内 力 计 算 结 果 设 计 控 制内 力 差 不 超 过 8%。 因 此 一 般 情 况 下 ,转 换 梁 内 力 计 算 取 下部 结 构 一 层 是 合 适 的 。图 5 计 算 简 图 图 6 ANSYS中 建 立 的 三 维 模 型5 结 论 分 析由 表 2可 知 , 上 部 墙 体 考 虑 3层 与 考 虑 4层 内 力 计 算结 果 几 乎 没 有 差 别 。 从 计 算 结 果 看 , 上 部 墙 体 考 虑 2层 与 考虑 3层 相 比 , 其 计 算 得 设 计 控 制 内 力 差 异 最 大 达 20% ; 上部 墙 体 考 虑 3层 与 考 虑 4层 相 比 , 其 计 算 得 设 计 控 制 内 力差 异 最 大 不 超 过 5%。表 2 依 据 图 5的 内 力 计 算 结 果位 置 下 部 结 构 取 1层 下 部 结 构 取 2层M N V M N V010 ln - 2115 - 1316 - 6115 - 1198 - 1310 - 5198011 ln 1115 3111 - 2183 1125 3135 - 2170012 ln 1150 5103 - 0189 1154 5123 - 0183013 ln 1132 6100 - 0127 1133 6117 - 0124014 ln 1114 6143 - 0107 1115 6158 - 0106015 ln 1108 6155 0100 1109 6170 0100注 :M 单 位 为 103 kN m; V单 位 为 103 kN; N 单 位 为 103 kN。图 7 转 换 梁 跨 中 和 支 座 处 的 内 力随 上 部 层 数 ( n)的 变 化 规 律图 7中 M、 N 分 别 为 转 换 梁 跨 中 区 最 大 弯 矩 和 最 大 轴力 , V为 转 换 梁 支 座 处 最 大 剪 力 。根 据 本 文 的 结 论 ,对 于 上 面 承 托 剪 力 墙 的 转 换 梁 ,取 上部 4层 墙 体 和 取 上 部 3层 墙 体 共 同 作 用 ,其 内 力 的 差 异 是 很小 的 ,取 4层 以 上 和 4层 的 结 果 差 别 也 是 很 小 的 ,其 结 果 见图 7所 示 。 因 此 ,在 对 转 换 梁 结 构 进 行 内 力 计 算 或 设 计 的 时候 只 用 取 上 部 结 构 的 3层 ,为 保 证 精 度 ,把 计 算 结 果 扩 大 一定 的 倍 数 即 可 。 根 据 表 2的 计 算 结 果 可 得 ,下 部 结 构 取 1层和 取 2层 ,其 内 力 的 差 异 也 是 很 小 的 ,所 以 在 进 行 设 计 或 内力 计 算 时 只 用 取 下 部 结 构 1层 进 行 计 算 ,以 达 到 简 化 计 算 的目 的 。以 此 类 推 ,对 于 其 他 的 转 换 层 结 构 ,我 们 可 以 继 续 进 行有 限 元 分 析 ,其 结 果 这 里 不 一 一 列 出 ,得 出 的 结 论 与 本 例 相近 。 所 以 我 们 可 以 把 这 个 结 论 作 为 一 种 普 遍 的 规