midasGen-張弦結(jié)構(gòu)分析1

1、張弦結(jié)構(gòu)分析1r/iioAI例題.張弦結(jié)構(gòu)分析概要此例題將介紹利用midasGen做張弦結(jié)構(gòu)分析的整個過程，以及查看分析結(jié)果的方法。該例題的建模部分可以參見midasGen初級培訓(xùn)的網(wǎng)架建模步驟，這里不再做介紹。通過該例題希望用戶能夠了解做張弦結(jié)構(gòu)分析的一般步驟和過程，重點是讓用戶了解在midasGen中施加和調(diào)整索單元張拉力的方法、幾何非線性分析的設(shè)置及如何對帶有索單元的結(jié)構(gòu)進行彈性反應(yīng)譜分析。張弦結(jié)構(gòu)概述張弦結(jié)構(gòu)是將上弦剛性受壓構(gòu)件通過撐桿與下弦拉索組合在一起形成自平衡的受力體系，是一種大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系。張弦結(jié)構(gòu)上弦剛性構(gòu)件可以是實腹式梁，也可以是格構(gòu)式桁架，據(jù)此對不同的張弦結(jié)構(gòu)可

2、稱作張弦梁或張弦桁架。本例題中介紹的模型使用張弦桁架。張弦結(jié)構(gòu)的特點張弦結(jié)構(gòu)在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時，由于引進了具有抗壓和抗彎能力的桁架或梁而使體系的剛度和穩(wěn)定性大為增強。對張弦結(jié)構(gòu)中索施加一定的預(yù)拉力，這既可使索具有適當(dāng)?shù)某跏伎嚲o度，也可對索與桁架或梁之間的受力比例進行必要調(diào)整；既充分發(fā)揮了索的抗拉能力，又調(diào)整了桁架或梁的內(nèi)力分布（使桁架或梁中的內(nèi)力分布趨于均勻）張弦結(jié)構(gòu)的形態(tài)定義張弦結(jié)構(gòu)像懸索結(jié)構(gòu)等柔性結(jié)構(gòu)一樣，根據(jù)張弦結(jié)構(gòu)的加工，施工及受力特點，通常將其結(jié)構(gòu)形態(tài)定義為零狀態(tài)、初始態(tài)和荷載態(tài)三種。(1):零狀態(tài)零狀態(tài)是拉索張拉的前狀態(tài)，實際上是指構(gòu)件的加工和放樣狀態(tài)，通常也稱結(jié)構(gòu)放

3、樣態(tài)。當(dāng)索張拉完畢后，結(jié)構(gòu)上弦構(gòu)件的形狀將發(fā)生偏離，從而不能滿足建筑的要求，因此，張弦結(jié)構(gòu)上弦構(gòu)件的加工放樣要考慮這種索張拉后帶來的變形影響，這是張弦結(jié)構(gòu)要進行零狀態(tài)定義的原因。(2):初始態(tài)初始態(tài)是拉索張拉完畢后，結(jié)構(gòu)安裝就位的形態(tài)，通常也稱預(yù)應(yīng)力態(tài)。初始態(tài)是建筑施工圖中所明確的結(jié)構(gòu)外形。(3):荷載態(tài)荷載態(tài)是外荷載作用在初始態(tài)結(jié)構(gòu)上發(fā)生變形后的平衡狀態(tài)。張弦桁架在midas中的計算此例題的分類及各自的步驟如下：一、已知索單元初拉力的情況下，求索單元的拉力變化及結(jié)構(gòu)的變形。1 .簡介2 .設(shè)定操作環(huán)境及定義材料和截面3 .建立張弦梁一個錐體4 .形成張弦網(wǎng)架5 .定義邊界條件6 .輸入各種荷

4、載7 .定義幾何非線性分析控制數(shù)據(jù)8 .運行分析9 .查看結(jié)果、對帶有索單元的結(jié)構(gòu)進行反應(yīng)譜分析1 .索單元拉力添加(即對索單元進行張拉)2 .運行分析并查看結(jié)果一.已知索單元初拉力的情況下，求索單元的拉力變化及結(jié)構(gòu)的變形1.簡介本例題張弦桁架的幾何形狀、邊界條件以及所使用的構(gòu)件如圖1所示。邊界條件設(shè)定為一端較接，另一端為滑動支座。本例題中荷載只考慮自重、屋蓋作用恒荷載、活荷載、索的初拉力。（本例題數(shù)據(jù)僅供參考）本例題基本數(shù)據(jù)如下：上（下）弦主梁：P299X14腹桿：P152X8上弦支撐：P121X6撐桿：P159X8拉索：D100（預(yù)應(yīng)力索）鋼材：Q345上弦梁圓弧半徑：R=168m上下弦距

5、離：1.8m注意：進行幾何非線性分析時，需要查看幾種荷載按一定的方式進行荷載組合作用后的結(jié)果，必須將該荷載組合作為一個工況進行非線性分析，查看該工況的結(jié)果。不能象彈性分析時，直接查看分析后幾種單獨工況的線性組合結(jié)果。荷載工況1-自重荷載工況2-屋面恒荷載10kN（節(jié)點荷載）荷載工況3-屋面活荷載5kN（節(jié)點荷載）索初拉力770kN軸側(cè)圖:,產(chǎn)、1、1r.：平面圖立面圖圖i分析模型2.設(shè)定操作環(huán)境及定義材料和截面在建立模型之前先設(shè)定環(huán)境及定義材料和截面1.主菜單選擇文件新項目2.主菜單選擇文件保存：輸入文件名“平板網(wǎng)架”并保存工具設(shè)置單位系：長度m,力kN圖2定義單位體系3.主菜單選擇4,主菜單

6、選擇特性材料材料特性值注：也可以通過添加：定義Q235鋼材程序左側(cè)樹形菜材料號：1名稱：Q345設(shè)計類型：鋼材規(guī)范：GB03(S)單沖II型數(shù)據(jù)庫：Q345材料類型：各向同性和截面特性材點擊確認按鈕料”來定義材料。同樣，其他操作也可通過左側(cè)樹形菜單實現(xiàn)。Snu»nU"li：iK«!J：iJmjb'e4M.itTVaNULHOU1/bijMU力ffiWgVriiTB的叫HgF-miw工iIM網(wǎng)單,WFr用Wt1ZJ|,MIE圖3定義材料5.主菜單選擇特性>截面>截面特性值添加：定義上弦、下弦和腹桿、柱截面尺寸NWU崎季&asmu*hi.r

7、fmvHih4iEr3 rjdiflEr才rRlaVtiflCr4 F療耳RSixUH.n騏厄再儂酸總flfa>中心3.0圖4定義截面3.建立張弦梁一個錐體注：快捷鍵可通過主菜單“工具>用戶自定義>自定義>鍵盤”實現(xiàn)。1.主菜單選擇節(jié)點/單元節(jié)點建立節(jié)點（快捷鍵Ctrl+A代+1）建立節(jié)點1（0,1,0）,2（0,-1,0）,3（0,0,-1.8）2.主菜單選擇節(jié)點/單元單元擴展（快捷鍵Alt+5）選中節(jié)點1、2,輸入相應(yīng)參數(shù)，如圖5所示選中節(jié)點3,輸入相應(yīng)的參數(shù)，如圖6所示3.主菜單選擇節(jié)點/單元單元建立單元（快捷鍵Alt+1）選擇材料為Q345,截面P152X8,桁

8、架單元,選擇材料為Q345,截面P121X6,桁架單元,連接（連接（刪除多余節(jié)點及桿件，如圖7所示圖5擴展節(jié)點1、2b解元”：目竟則和值削*總由。葬的OEftlAK如陵地l：曲修甫口弓：%工獺闿電口一«腑理rt軸向jo.此岫工觸聲地S-S!o,Q.-365E圖6擴展節(jié)點31,6)、(2,6)>(4,6)、(5,6);1,2)、(4,5)、(1,5);圖7刪除多余節(jié)點及桿件4.形成張弦網(wǎng)架1 .主菜單選擇節(jié)點/單元單元旋轉(zhuǎn)選中需旋轉(zhuǎn)單元，設(shè)定旋轉(zhuǎn)參數(shù)，如圖8所示>ffFBTBQ.|圖8旋轉(zhuǎn)依次錐體«JH«4:吊*|I廿*1:B*訃*ma單司一MdfttU

9、m4是二四1閨JbBEi2 .主菜單選擇節(jié)點/單元單元建立單元補充建立上弦支撐及下弦主梁，如圖9所示（注意單元類型）圖9補充建立單元3 .主采單選擇節(jié)點/單元單元旋轉(zhuǎn)利用1、2步驟方法，建立右側(cè)張弦梁網(wǎng)架，如圖10所示圖10旋轉(zhuǎn)單元4 .主菜單選擇節(jié)點/單元單元建立單元利用相對坐標，建立端部短豎桿，利用兩點方式建立其他單元利用相對坐標，建立撐桿，撐桿長度依次為0.5m,2.7m,4.3m,5m（數(shù)值僅供參考）利用兩點建立預(yù)應(yīng)力拉桿（不勾選交叉分割，注意單元類型、材料和截面），如圖11所示5 .主菜單選擇節(jié)點/單元單元鏡像全部選中，輸入鏡像參數(shù)，如圖12所示鏡像完成后補充建立缺少的張弦拉桿及下弦

10、主梁圖11建立其他構(gòu)件圖12鏡像單元5.定義邊界條件1 .主菜單選擇邊界邊界一般支承定義張弦梁邊界條件，一邊為較接、一邊為滑動支座，如圖13所示Eir»+當(dāng)gdE於411一iiil撮jQIQ逗.乜QI=d*l*lr.lEInl一0101回?zé)A-CJq|*3II*tunnmjh'vim»1；：9bs|由:*圖13邊界條件6. 輸入各種荷載設(shè)定荷載工況，輸入自重、屋面恒荷載、屋面活荷載。1 .主菜單選擇荷載建立荷載工況靜力荷載工況定義恒載DL,活載LL,預(yù)應(yīng)力，空工況四種荷載工況圖14定義荷載工況2 .添加恒載、活載主菜單選擇荷載靜力荷載結(jié)構(gòu)荷載/質(zhì)量節(jié)點荷載選擇上弦節(jié)點

11、，選擇荷載工況DL輸入FZ荷載值-10kN（注意單位），恒載就加上去了。利用前次選擇回，同樣操作，選擇荷載工況LL,輸入FZ荷載值-5。圖15施加節(jié)點荷載3 .由荷載組合建立荷載工況主菜單選擇荷載建立荷載工況更用荷載組合在使用非線性分析的時候，需要查看幾種荷載按一定的方式進行荷載組合作用后的結(jié)果，必須將該荷載組合作為一個工況進行非線性分析，查看該工況的結(jié)果。分析結(jié)束后，將不同的荷載工況分別乘以不同的組合系數(shù)進行疊加組合的方法，只適合于線彈性的分析。midasGen中可以通過“荷載建立荷載工況使用荷載組合”將某一（多）荷載組合生成一（多）種荷載工況，再利用該工況進行分析。本例題中，假設(shè)需要查看的

12、是在1.2倍恒荷載（包括自重）和1.4倍活荷載（即1.2D+1.4L）組合下的結(jié)果。注意：使用該功能的時候，程序只將荷載組合中原來各個工況已經(jīng)添加的荷載復(fù)制到新建的工況中，但是原來工況中在使用該功能后添加的荷載，程序不會自動復(fù)制。具體步驟為：a.結(jié)果組合荷載組合,定義1.2D+1.4Lb.荷載靜力荷載建立荷載工況更用荷載組合，將定義的1.2D+1.2L荷載組合移動至右側(cè)，點擊適用即可。該功能可以批量由荷載組合建立荷載工況。例如在本例題中，如果在利用該功能生成了新的名為“1.2D+1.4L”的荷載工況后，又在“D”荷載工況中，添加了新的恒荷載，那么，新添加的恒荷載不會自動的復(fù)制到“1.2D+1.

13、4L”的荷載工況中，需要利用該功能再手動生成一次。拈陽荷F.若合律際班工況遙擇麗用自全文的珥含送狂的里宮dTzS+iTila荷斯工犬*啜H荷我組臺的H電計荷載明自前生成位曾溫用土設(shè)計選擇有貫全送輜送糅適用士用圖16由荷載組合生成荷載工況4 .添加索單元的初拉力在midasGen中，進行幾何非線性分析（大位移）分析時，給索單元加初拉力的方法有三種：1、荷載初始荷載/其它初始荷載大位移幾何剛度初始荷載，2、在建立單元的時候，“單元類型”選擇為索單元時，使用無應(yīng)力長度“Lu”或者直接加“初拉力”，3、荷載溫度/預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力初拉力方法一施加的初拉力相當(dāng)于內(nèi)力。這可以用以下兩點來理解：一是該力不屬于任何

14、荷載工況。在查看某一荷載工況下的索單元內(nèi)力時，顯示的數(shù)值為該荷載工況作用下索單元內(nèi)力和索中初拉力兩者的合力。二是它只作用在施加了力的索單元上，在分析時該方法加的初拉力只影響索單元的剛度，不會對結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力或者位移。（添加一個空工況，即只給工況類型，不添加任何屬于該類型的荷載值，分析后可以看到空工況作用下結(jié)構(gòu)中不產(chǎn)生位移，只有索單元有內(nèi)力，其余構(gòu)件的內(nèi)力為零。）幾何剛度初始荷載提供的是剛度，而不是外力，外力是會對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的?？梢赃@樣理解，在進行幾何非線性分析的時候，索其實相當(dāng)于桁架，只是在每一步迭代時，索單元內(nèi)的拉力會不斷變化，索單元的剛度也在不斷變化，索單元就好比是一根截面在

15、不斷變化的桁架單元。在只使用“初拉力荷載”給索添加初拉力的時候，分析時有時候會提示錯誤或者不收斂，此時，可以添加一個較小的“幾何剛度初始荷載”，這樣分析的時候容易收斂，對索單元的內(nèi)力影響也不大。方法二三施加的初拉力相當(dāng)于外力。它們的共同點是都會對結(jié)構(gòu)中的其它構(gòu)件產(chǎn)生影響，帶來位移及內(nèi)力。但是兩者又有不同，最主要的不同是：建立索單元的時候添加的初拉力，既是外力，同時還影響索單元在計算時候的初始剛度；而使用“初拉力荷載”添加的初拉力，只是外力，不影響索單元在計算時候的初始剛度。另外二者還有以下的不同：方法二施加的初拉力，不需要設(shè)定為荷載工況，在計算后，查看某工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力時，得到的結(jié)果是該工況和

16、初拉力共同作用的結(jié)果。（可以在模型中添加一個空工況，分析后可以看到該工況下，結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生位移，除了索單元有內(nèi)力外，其余構(gòu)件也會有內(nèi)力。）在分析時該方法加的初拉力既影響索單元的初始剛度，又對其它構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力。使用建立單元的時候添加初拉力和添加初拉力荷載的方式給索單元施加張拉力，對結(jié)構(gòu)的作用是一樣的，即在張拉力和相同的外荷載作用下，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)是一樣的。只是二者的用途稍有不同，方法二比較直接，但是不適合做分批張拉索的施工階段分析，方法三則適用于施工階段分析。工程中，如果需要模擬張拉索單元后，考慮其它構(gòu)件中也帶有內(nèi)力的情況，可以使用該方法添加初拉力，然后可以進行結(jié)構(gòu)在其它工況的荷載作用下的非線性分析。

17、方法三需要設(shè)定初拉力為某一荷載工況，當(dāng)需要查看另外一個工況和初拉力共同作用的結(jié)果時，要將二者放在同一個工況內(nèi)，進行非線性計算。在需要考慮施工過程（例如分批張拉索單元）的時候，可以采用這種方法施加初拉力并設(shè)定施工階段進行分析。midasGen施工階段的定義可參考相關(guān)例題。在本例題中，使用建立索單元的時候添加初拉力的方法。如圖17主菜單選擇節(jié)點/單元單元建立單元。單元類型選擇“只受拉/勾/索單元”，選擇“索”，使用“水平力”，填入初拉力的值。本模型建立中，采用的桁架單元建立預(yù)應(yīng)力索，可通過主菜單選擇節(jié)點/單元單元單元表格；或者選擇索單元，在模型窗口點擊右鍵，“單元單元詳細表格”。在表格中修改單元類

18、型及索的初拉力值；也可通過修改單元類型實現(xiàn)。本例采用修改單元類型萬法，如圖18單元類型只受拉/鉤/索單元桁架鉤口索柢力,TTO圖17單元消息表格圖18修改單元類型7 .定義幾何非線性分析控制數(shù)據(jù)主菜單選擇分析沙析控制非線性設(shè)定幾何非線性的分析，選擇計算方法、加載步驟數(shù)量、子步驟內(nèi)迭代次數(shù)，選擇收斂條件。非線性類型jn何非線性背苴方法如果不定義“非線性分析荷載工況”，則“計算方法”中設(shè)定的參數(shù)對所有工況都適用。添加“非線性分析荷載工況”，則對該工況使用單獨設(shè)定的計算方法及加載步驟數(shù)量，其余的荷載工況使用“計算方法”中設(shè)定的參加戴步騷狗里H1an.BLptixDXl電長法位將控制法荷錢工品圖19非

19、線性分析控制數(shù)據(jù)8 .運行分析主菜單選擇分析運行運行分析運行分析后，注意信息窗口里面的提示，如果有不收斂，如圖20所示，需要調(diào)整“非線性分析控制數(shù)據(jù)”里面的有關(guān)參數(shù)。（分析時，注意信息窗口提示，若窗口提示"錯誤在幾何非線性分析中不能計算層中心、層剪力。請修改建筑物控制數(shù)據(jù)”，在結(jié)構(gòu)建筑源制數(shù)據(jù)中所有選項均不勾選）圖20信息窗口的提示9 .查看結(jié)果通過“主菜單選擇內(nèi)力桁架單元內(nèi)力"如圖21、圖22。通過“主菜單選擇結(jié)果結(jié)果變形立移等值線”、“主菜單選擇結(jié)果結(jié)果,可以圖形方式查看結(jié)構(gòu)的位移、桁架及索單元的內(nèi)力。結(jié)果表格結(jié)果表格索單元內(nèi)力”、“主菜單選擇結(jié)果表格結(jié)果表格索單元布置

20、”，可以表格方式查看索單元的內(nèi)力及有關(guān)信息。如圖23、圖24。也可以通過“主菜單選擇結(jié)果表格結(jié)果表格桁架單元內(nèi)力”、“主菜單選擇結(jié)果表格結(jié)果表格桁架單元應(yīng)力”，在“選擇類型”中選擇“只受拉桁架單元”，點擊替樵，也可以查看索單元的內(nèi)力、應(yīng)力。如圖25、圖26。如果只想顯示結(jié)構(gòu)中部分單元的內(nèi)力數(shù)值，而其它的構(gòu)件又要同時顯示出來時，可以單擊“顯示選項”按鈕，選擇“繪圖”下面的“被鈍化的目標”，在右邊的“選擇值”中勾選“顯示單元、節(jié)點”。山居而if7圖21以圖形方式顯示結(jié)構(gòu)的位移mhTA'RfiviKi工艮翎L杳可*dLliKl0M為*««<«*WSfitn

21、nm4m：一*QFH«3圖22以圖形方式顯示索單元的內(nèi)力位maszH工胃-iim研由用式|單元干品Hl4L1SS叁43III441WM»HI2P*I4L135JEH130IM155E2»H1.Z0-1.<.1ME253H1.33H.4.1555253H133-1.44-1555253H1.2D-1.4LH120*14LHiZDri44.HI力14LHI於144.IIIH1.2D*1.4LmH1Z)ri.4Lhl3>1.禮H1.5D-1.4LHI2CM4L，福電元內(nèi)門1III:43-1-UHIZU*1機M1a>L4HI#141H!3>

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