ANSYS結構分析在土木建築行業中的應用概述(一)

2020-12-08 巖土在線

 1.引言

在世界範圍內，ANSYS軟體已經成為土木行業CAE仿真分析軟體的主流。ANSYS在鋼結構和混凝土房屋建築、體育場館、橋梁、大壩、隧道及地下建築物等工程中得到了廣泛的運用。利用ANSYS可以對結構在各種外載荷條件下的受力、變形、穩定性等各種動力特性做出全面分析，並從力學計算、組合分析等方面提出了全面的解決方案，為土木工程師提供功能強大且方便易用的分析手段。目前，基於ANSYS基礎上開發的CIVILFEM軟體包從預應力、橋梁、巖土工程方面結合現行規範設計標準，有效地提高並保證工程的設計和施工質量、縮短周期、降低工程成本，對於提高設計和施工能力、增強行業競爭力起到了很大的促進作用。

2.ANSYS房屋建築工程應用

ANSYS強大的求解功能使得其十分便於應用在各種複雜體型的高層、超高層、高聳結構、大跨度體育館、砌體結構、各種鋼結構、鋼組合結構在各種荷載工況組合下的靜、動力響應分析領域，以及特殊分析如索膜結構的張拉剪裁等等，其中一些分析中可以考慮建築基礎與上部結構的耦合分析、臨近建築物影響分析等。

2.1 高層建築結構的靜力、頻域、非線性時程分析

ANSYS能夠模擬各種高層、超高層鋼、鋼筋混凝土、鋼組合建築結構體系——框架結構體系、剪力牆結構體系、框架-剪力牆結構體系、簡體結構體系及其它特種結構(水塔、煙囪、發電塔等)在靜力、頻域、時程狀態下的特性和響應。圖3-1中所示為某30層高層框架結構的四階振型圖。ANSYS不僅可以進行整體結構在複雜荷載工況組合下的靜、動力分析，而且可以對關鍵部位(受力狀態不明確的部位)進行細部(採用Zoom Analysis功能)分析。新規範的頒布對建築結構設計要求有所提高，超高超限的高層和高聳結構必須進行非線性時程抗震分析，這要求在對高層、高聳結構進行有限元仿真時必須考慮構件的非線性特性。

圖1 建築自振振型

圖2 結構地震分析時程圖

2.2 結構節點分析

鋼結構節點設計是鋼結構設計的關鍵步驟之一，而節點受力狀態一般比較複雜且研究不夠充分。ASYS提供的多體接觸、大變形、預緊螺栓(Pretension Bolt)等功能能夠方便快捷建立鋼節點模型，分析節點區在不同荷載狀態下的應力分布和變形情況，可以進行缺陷、荷載等因素對節點剛度性能影響的參數分析。圖3-4中給出T形鋼節點的主應力雲圖，圖3、4分別為複雜鋼節點及高強螺栓、板件的主應力雲圖，作為結構設計的輔助設計，有限元分析結果可以提供精確的應力、應變結果，為設計提供可靠依據。

圖3 複雜節點應力詳圖

圖4 螺栓預緊力應力雲圖


 

2.3 大跨度空間結構

大跨空間結構的類型和形式十分豐富多彩，如鋼筋混凝土薄殼結構；平板網架結構；網殼結構；懸素結構：膜結構和索-膜結構等，當跨度增大時，空間結構就愈能顯示出它們優異的技術經濟性能。但是隨著跨度的增大，屋蓋的穩定性成為整個結構設計的關鍵問題，傳統的線性分析方法是把結構強度和穩定問題分開來考慮的，事實上，從非線性分析的角度來考察，結構的穩定性問題和強度問題是相互聯繫在一起的。利用ANSYS有限元軟體可以進行結構的非線性荷-載位移全過程分析，可以準確地把結構的強度，穩定性以至於剛度的整個變化歷程清晰表達。當考察初始缺陷和荷載分布方式等因素對實際網殼結構穩定性能的影響時，也均可從全過程曲線的規律性變化中進行研究。

圖5 鳥巢ANSYS分析模型

圖6 計算應力分布圖

2.4 粱、板殼、實體單元的聯接處理

很多建築結構形式涉及到粱、板殼、實體單元多種形式。與真實情況不同，在有限元中不同的單元形式其節點具有的自由度不同，如果不同的單元節點相聯接，要求用戶必須為模型建立正確的自由度耦合形式。自由度耦合的建立不是複雜的工作，但如果完全要人工完成則過於繁重，尤其是較複雜的計算模型。為此，ANSYS可提供有效的殼-實體接觸單元(接觸單元的MPC算法)解決複雜結構體的整體分析問題。

圖7 離散式鋼筋混泥土建模

圖8 索膜結構分析

圖9 索膜結構找形分析

2.5 ANSYS在房屋建築工程中的應用情況簡述

作為建築結構分析的有力工具，多年來ANSYS在該領域獲得了非常廣泛的應用，我們可以從公開發表的應用論文的分布規律中粗略發現ANSYS在建築領域各應用方向上的受歡迎程度，根據在萬方數據知識服務平臺中的專業檢索，ANSYS在建築領域各應用方向上的應用數量如下圖10所示：

圖10 建築領域採用ANSYS的主要應用方向相關論立數量分布

3.ANSYS橋梁結構工程應用

橋粱結構在土木行業中最常見的建築工程結構之一，對橋梁進行較為精確的受力分析，合理模擬其各種工況下的動態反應，對於橋梁的設計與安全控制有著十分重要的現實意義。ANSYS可實現桁架橋、懸索橋、剛構橋等不同橋粱的建模，可模擬橋粱預應力鋼筋鬆弛、混凝土徐變、開裂、壓潰以及結構溫度應力等因素的影響，同時也可方便地計算出箱粱的畸變應力，剪力滯效應以及橋粱構件與支撐部位的接觸狀態，對於懸吊拉索結構橋梁，ANSYS可以很好地模擬風力對橋梁的影響，如渦流激振、抖振等。同時ANSYS可以提供適合橋粱地震響應分析的多點激勵譜分析。

圖11 預應力橋梁分析

圖12 橋梁施工過程動態仿真

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