ANSYS在建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析中的應(yīng)用_圖文

1、第23卷第1期2006年3月河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)Journal of Hebei Institute of Architectural Science and TechnologyMar.2(06文章編號(hào):10076743(200601004904ANSYS在建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析中的應(yīng)用姚會(huì)蘭1,賈春芬1,智會(huì)強(qiáng)2,路世昌2(1.天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司,天津300457;2.公安部天津消防研究所,天津300381摘要:介紹了ANSYS軟件的基本功能,結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)特點(diǎn)和ANSYS的自身特點(diǎn),分析了將其用于火災(zāi)反應(yīng)分析的基礎(chǔ),建立了用其進(jìn)行火災(zāi)反應(yīng)分析的方法;用ANSYS分析了火災(zāi)

2、下鋼框架整體反應(yīng)特性,分析結(jié)果表明:用ANSYS進(jìn)行火災(zāi)反應(yīng)分析是可行的、有效的。關(guān)鍵詞:ANSYS;有限元法;建筑結(jié)構(gòu);火災(zāi)反應(yīng);耦合分析中圖分類號(hào):TU312文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A隨著建筑形式的現(xiàn)代化,建筑結(jié)構(gòu)的防火問題越來越受到人們的重視,尤其是911事件之后,人們更加認(rèn)識(shí)到建筑結(jié)構(gòu)防火的重要性。目前,世界各國(guó)在建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域開展了廣闊而深入的研究,取得了巨大成果,主要集中在: (1結(jié)構(gòu)材料在火災(zāi)下的性能研究。如鋼材在高溫下的屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力一應(yīng)變曲線;混凝土在高溫下的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力一應(yīng)變曲線;鋼筋的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、容重、線膨脹率。(2建

3、筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)耐火實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備。(3混凝土構(gòu)件內(nèi)溫度場(chǎng)研究。(4鋼構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)單元的耐火性能研究。(5鋼構(gòu)件耐火保護(hù)方法及保護(hù)材料研究。(6失火分區(qū)火災(zāi)性狀研究與預(yù)測(cè)1。但相對(duì)于其它領(lǐng)域來說,在火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域,應(yīng)用大型軟件進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)分析相對(duì)較少,而現(xiàn)在一些通用軟件從功能上來說,完全具有進(jìn)行火災(zāi)反應(yīng)分析的能力,比如ANSYS。本文結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)特點(diǎn)和軟件ANSYS的自身特點(diǎn),分析了ANSYS用于火災(zāi)反應(yīng)分析的基礎(chǔ),建立了利用ANSYS進(jìn)行火災(zāi)反應(yīng)分析的方法,并給出了應(yīng)用ANSYS進(jìn)行分析的具體實(shí)例。1ANSYS及有限元法簡(jiǎn)介ANSYS容結(jié)構(gòu)、傳熱、流體、電磁、聲學(xué)

4、和爆破分析與一體,能夠同時(shí)模擬結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁以及多物理場(chǎng)間的耦合效應(yīng),在航空航天、土木工程、能源動(dòng)力、石油化工、機(jī)械制造、電子、生物醫(yī)學(xué)、水利等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS軟件主要分為三個(gè)模塊:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊是用來對(duì)已生成的有限元模型進(jìn)行各種物理分析和有限元求解的,包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析等,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示等,也可將

5、計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線等形式顯示或輸出。2火災(zāi)反應(yīng)分析2.1火災(zāi)反應(yīng)特性建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)是從起火時(shí)便開始的,可燃物一旦著火燃燒,釋放出的熱量經(jīng)對(duì)流、輻射作用于結(jié)構(gòu)表面,再經(jīng)熱傳導(dǎo)傳向結(jié)構(gòu)內(nèi)部,從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一非均勻的溫度場(chǎng),即引起結(jié)構(gòu)的熱反應(yīng)。升溫的結(jié)構(gòu)材料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生改變,進(jìn)而材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和變形能力發(fā)生變化而引起力學(xué)反應(yīng),收稿日期:20050926作者簡(jiǎn)介:姚會(huì)蘭(1973一,女,江西撫州人,天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司建筑經(jīng)濟(jì)師,從事建筑防災(zāi)、減災(zāi),工程管理。河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)2006拒超靜定結(jié)構(gòu)還產(chǎn)生溫度作用下的內(nèi)力重分布現(xiàn)象。在火災(zāi)作用下,建筑

6、結(jié)構(gòu)可能會(huì)被迅速破壞,乃至失去支撐能力而坍塌。2.2分析方法對(duì)于結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析的第一個(gè)步驟,即火災(zāi)分析,可以用目前流行的CFD軟件進(jìn)行解決,比如用CFX,其也是ANSYS公司旗下的軟件。在火災(zāi)分析中,通常做一系列簡(jiǎn)化假設(shè),例如火災(zāi)被控制在有限范圍內(nèi)、該空間內(nèi)溫度分布均勻等,然后給出該空間內(nèi)的溫度隨時(shí)間上升的簡(jiǎn)化公式。第二步是熱分析,正好是ANSYS軟件的強(qiáng)項(xiàng),根據(jù)火災(zāi)環(huán)境內(nèi)的溫度分布,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析,求出建筑構(gòu)件內(nèi)的溫度場(chǎng)。第三步是結(jié)構(gòu)分析。另外,ANSYS還可以完成多物理場(chǎng)的耦合分析,對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析來說,進(jìn)行熱一結(jié)構(gòu)耦合分析是必須的。2.3應(yīng)用方法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)分析

7、,主要是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱一結(jié)構(gòu)耦合分析,根據(jù)ANSYS和建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析的特點(diǎn),可以采用以下兩種方法:1間接法:首先進(jìn)行熱分析,計(jì)算出結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng);再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,將熱分析得到的溫度場(chǎng)作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)中,結(jié)合結(jié)構(gòu)分析的其它荷載得到結(jié)構(gòu)對(duì)火災(zāi)的反應(yīng)。間接法可以應(yīng)用熱分析和結(jié)構(gòu)分析的所有功能。2直接法:直接應(yīng)用具有溫度自由度和結(jié)構(gòu)自由度的耦合單元,最后可同時(shí)得到熱分析和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果。3分析實(shí)例一3層3跨連續(xù)鋼框架,層高3m,柱間距5.5 m,所有柱角固定,右側(cè)設(shè)側(cè)向支撐,柱頂受集中荷載,外側(cè)柱的荷載值為75.5kN,內(nèi)側(cè)柱的荷載為15lkN,所有橫梁受均布荷載25.4kN/m,梁和柱均為

8、標(biāo)準(zhǔn)工字型界面。假定火災(zāi)發(fā)生在左端一防火間。具體模型見圖1。3.1火災(zāi)分析圖l鋼框架模型有關(guān)室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展過程,現(xiàn)在已有許多比較成熟的模型,如:經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、區(qū)域模型、場(chǎng)模型、網(wǎng)絡(luò)模型等。比較常用的火災(zāi)模擬軟件有CFAST?FDS、JASMIN、FLUENT、PHONICS?CFX? STARCD等。其中CFAST為區(qū)域模型,其余均為場(chǎng)模型。我們可以選擇以上任何軟件進(jìn)行火災(zāi)分析,當(dāng)然,也可采用其它方法進(jìn)行火災(zāi)分析。在此,我們直接應(yīng)用最常見的標(biāo)準(zhǔn)火模型進(jìn)行分析,該模型定義室內(nèi)溫度上升和時(shí)間的關(guān)系為: T=To+345l g(8t+1(1其中:T一溫度(oCt一時(shí)間(minTo一環(huán)境溫度(oC在本例中

9、,取環(huán)境溫度為20。3.2前處理由于防火間具有防止火災(zāi)蔓延和隔絕熱量傳遞的作用,因此,僅防火間內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)有明顯的升溫過程。為了能準(zhǔn)確的模擬防火問的梁和柱的非均勻溫度分布和捕捉局部屈曲等現(xiàn)象,防火間的梁和柱采用殼單元,其余部分采用梁?jiǎn)卧?在兩者的結(jié)合處采用約束方程以保證變形協(xié)調(diào)。整體模型見圖1。3.3熱分析ANSYS根據(jù)能量守恒原理進(jìn)行熱分析,共提供了五種熱荷載,分別為溫度、熱流率、對(duì)流、熱流密度和生熱率。本例為瞬態(tài)熱分析,ANSYS利用公式(2進(jìn)行求解。Cr+KzT=Q(2式中K一傳導(dǎo)矩陣,包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流換熱系第1期姚會(huì)蘭等:ANSYS在建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析中的應(yīng)用51數(shù)及輻射率和形

10、狀系數(shù);C一比熱容矩陣;r一節(jié)點(diǎn)溫度向量;r一溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);Q一節(jié)點(diǎn)熱流率向量,包含熱生成。在本例中,存在三種傳熱方式導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。經(jīng)過計(jì)算,得到了著火房間內(nèi)鋼框架的溫度分布。圖2為橫梁左端某處的溫度變化曲線?？梢钥闯?鋼框架的溫度上升很快,橫梁的溫度比較高,180s時(shí),鋼框架的最高溫度達(dá)到了243oC。3.4結(jié)構(gòu)分析在結(jié)構(gòu)分析方面,ANSYS可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)屈曲分析和結(jié)構(gòu)非線性分析。在本例中,需要將上一步得到的溫度場(chǎng)作為荷載施加到結(jié)構(gòu)上,然后結(jié)合其它的荷載進(jìn)行應(yīng)力分析,最后得到結(jié)構(gòu)的整體火災(zāi)反應(yīng)。圖3和圖4分別為著火房間橫梁左端某處的應(yīng)力和位移變化曲線?？梢钥?/p>

11、到,在火災(zāi)的作用下,鋼框架發(fā)生了變形,整體向左邊發(fā)生傾斜,在起火間,鋼框架變形最大。一p/越贈(zèng)300。250020001500主1000。500主。一50。-1000-15002000/時(shí)間(s圖2著火房間橫梁左端某處的溫度曲線一一,一,/【方向l藍(lán)力/,一,、,/、-Y方向盤力、J時(shí)閫(s圖3著火房間橫梁左端某處的應(yīng)力曲線t zlO一2一、x方向啦:移一入、o20406080時(shí)水s120Ho拍o180200圖4著火房間橫梁左端某處的位移曲線4結(jié)束語本文在分析火災(zāi)環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性以及ANSYS軟件的基礎(chǔ)上,建立了用ANSYS進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析的方法,通過用ANSYS對(duì)火災(zāi)下鋼框架

12、整體反應(yīng)特性的分析,可以看到, ANSYS所具備的熱分析、結(jié)構(gòu)分析和耦合場(chǎng)分析的功能,使其可以出色的完成火災(zāi)環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性的分析。參考文獻(xiàn):1閻慧群,王清遠(yuǎn),閆寧.高溫下及高溫后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能評(píng)述J.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(3:110119.出版社,2004.3BURGESS I W,HUANG Z,PLANK R J.火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的非線性模擬J.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2004(3:6872.4范維澄,孫金華,陸守香.火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法學(xué)M.北京:科學(xué)出版社,2004.5博嘉科技.有限元分析軟件一ANsYS融會(huì)與貫通M.北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.OOO 攏加

13、埔地如加52河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)2006經(jīng)Application of ANSYS to fireresponse analysis of building structuresYAO Huilanl,JIA Chun-fenl,ZHI Hui.qian92。LU Shichan92(1.Tianjin Binhai Mass Transit Co.Ltd.,Tanjin300457,Chiina;2.Tianjin Fire Research Institute ofMinistry of Public Security,Tianjin300381,ChinaAbstract:The bas

14、ic function of ANSYS was introduced.Based on the characteristic offire-response analysis and ANSYS,the foundation of applying ANSYS to fire-response analysis was presented.The method of applying ANSYS to fireresponse analysis was proposed.Fireresponse analysis of Steel Frame Structures was carried o

15、ut by using ANSYS.The result indicates that fireresponse analysis is practicable withhigh precision.Key words:ANSYS;finite element method;building structures;fire-response;coupled analysis(責(zé)任編輯劉存英 (上接第48頁Numerical analysis of the impacts of cushions for composite foundationsHAO Qian91一.WANG Huipin91

16、3(1.School of Architecture Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Tianjin Municipal Design&ResearchInstitute,Tianjin300050,China;3.School of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Tianjin300130,China Abstract:Based on an actual engineering example and ANSYS numerical ana

17、lysis,this article studies the characteristics of the rigid composite foundations when the cushions selected.The evidence of theoptimal design for the rigidcomposite foundations is proposed.Key words:the rigid composite foundations;cushions;pilesoil stress ratio;settlement.(責(zé)任編輯劉存英 ANSYS在建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析中

18、的應(yīng)用作者:姚會(huì)蘭, 賈春芬, 智會(huì)強(qiáng), 路世昌, YAO Hui-lan, JIA Chun-fen, ZHI Hui-qiang , LU Shi-chang作者單位:姚會(huì)蘭,賈春芬,YAO Hui-lan,JIA Chun-fen(天津?yàn)I?？焖俳煌òl(fā)展有限公司,天津,300457 , 智會(huì)強(qiáng),路世昌,ZHI Hui-qiang,LU Shi-chang(公安部天津消防研究所,天津,300381刊名: 河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版英文刊名:JOURNAL OF HEBEI INSTITUTE OF ARCHITECTURAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年,卷(期:20

19、06,23(1被引用次數(shù):0次參考文獻(xiàn)(5條3.BURGESS I W.HUANG Z.PLANK R J火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的非線性模擬期刊論文-建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展 2004(035.博嘉科技有限元分析軟件-ANSYS融會(huì)與貫通 2002相似文獻(xiàn)(10條2010,""(3利用ANSYS有限元法對(duì)南鋼中型廠850軋機(jī)機(jī)架的變形及分布進(jìn)行分析,結(jié)果表明,最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓下螺母孔圓角處,并用實(shí)測(cè)值對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,得到軋機(jī)的力學(xué)性能理論結(jié)果,為現(xiàn)場(chǎng)工藝的制定和設(shè)備的維護(hù)和使用提供了理論依據(jù).報(bào)2008,23(1有限元法是借助矩陣、材料力學(xué)等知識(shí),在結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛運(yùn)用的數(shù)

20、值計(jì)算方法,ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)分析于一體的大型有限元分析軟件.本文首先介紹了有限元法與ANSYS現(xiàn)狀與發(fā)展概況,其次敘述了ANSYS在家具行業(yè)中家具設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析的關(guān)系,并用實(shí)例詳細(xì)介紹了ANSYS在家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析上的使用方法.3.學(xué)位論文向勝華基于ANSYS的地基極限承載力分析2007地基承載力是土力學(xué)的三大經(jīng)典問題(邊坡穩(wěn)定、土壓力、地基承載力之一,也是地基設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。地基的極限承載力是地基內(nèi)部整體達(dá)到極限平衡時(shí)的荷載,又稱為極限荷載。目前,求解極限荷載的方法有兩種:一類是根據(jù)極限平衡條件建立微分方程,根據(jù)邊界條件求出地基整體達(dá)到極限平衡時(shí)各點(diǎn)的精確解。由于這

21、一方法只對(duì)一些簡(jiǎn)單的條件得到了解析解,其它情況則求解困難,故不常用;另一類求極限承載力的方法為假定滑動(dòng)面法,通過基礎(chǔ)模型的試驗(yàn),研究地基的滑動(dòng)面形狀,并簡(jiǎn)化為假定滑動(dòng)面,然后以滑動(dòng)面所包圍的土體作為隔離體,根據(jù)靜力平衡條件求解。這種方法概念明確,計(jì)算簡(jiǎn)單,得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,特別是巖土材料的非線性彈塑性有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了許多適合于巖土材料的大型通用有限元軟件,其前、后處理的功能越來越強(qiáng)大,為利用有限元法進(jìn)行地基承載力的模擬創(chuàng)造了條件。通過Ansys模擬計(jì)算地基極限承載力的方法有兩種,增量加載和強(qiáng)度折減,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在這方面做了許多研究。本文在分析研究國(guó)內(nèi)外有關(guān)地基極限承載力理論及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,利用ANSYS軟件對(duì)均質(zhì)地基的極限承載力進(jìn)行了模擬。分析表明,彈性模量E和泊松比v對(duì)極限承載力的影響不大