河南安陽天盛寺觀音閣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文

1、河南安陽天盛寺觀音閣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析GuanYinGeTemple of AnYangHenanStructure Strength Analysis姓 名： 范亞倫班 級： 土木06A2學(xué) 號： 06103020213指導(dǎo)教師： 王建省 教授摘要由于人們對考古熱情的不斷升溫和全國各地不斷出現(xiàn)的古代遺址，人們越來越重視古代建筑、民族建筑。與此同時現(xiàn)代建筑的施工工藝也日趨完善，全國各地都有大量鋼筋混凝土仿古建筑在建造和修建。但仿古建筑的設(shè)計都是采用現(xiàn)代普通建筑的建筑規(guī)范，由于古代建筑與現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)形式有很大不同，現(xiàn)行規(guī)范對仿古建筑的適用性較差。目前為止對仿古建筑的研究止步于設(shè)計階段。限于我國建筑規(guī)范

2、不是特別完善，仿古建筑沒有自己獨(dú)立的設(shè)計準(zhǔn)則。本文是在設(shè)計的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，這是仿古建筑的一個全新領(lǐng)域。我是以天盛寺觀音閣為藍(lán)本，對其進(jìn)行受力分析，檢驗(yàn)國家設(shè)計規(guī)范對仿古建筑的適用性，并在一般設(shè)計準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上提出更適用于仿古建筑的標(biāo)準(zhǔn)。該樓閣技術(shù)含量高，施工過程復(fù)雜，堪稱古建筑的集大成者，對它的研究可以推廣到其他古建筑。本論文以結(jié)構(gòu)受力計算為主要分析手段，運(yùn)用ANSYS軟件來進(jìn)行模擬，從基本的主體結(jié)構(gòu)形式開始，建立樓閣的整體模型，對關(guān)鍵的受力部位進(jìn)行著重分析。綜合考慮該觀音閣在受力狀態(tài)下的關(guān)鍵部位，對其施以相應(yīng)的載荷，得到結(jié)構(gòu)的受力情況，并提出該結(jié)構(gòu)受力的發(fā)展趨勢，并且提出加固和

3、優(yōu)化措施。然后對樓閣重新進(jìn)行分析，探討仿古建筑中薄弱部位受力的問題，并予以分析和解決。希望此次研究能達(dá)到預(yù)期的成果。關(guān)鍵詞：仿古建筑；建模；強(qiáng)度分析；ANSYSAbstractAs people continue to heat up and archaeological enthusiasm emerging throughout the ancient ruins, there was a growing emphasis on ancient architecture, national construction. At the same time modern architecture

4、 construction technology was also maturing around the country had a large number of antique buildings of reinforced concrete construction and construction.The ancient architecture and modern building structure was very different from the existing norms on the applicability of antique buildings less.

5、So far the research on ancient architecture stop at the design stage. China's building codes were not limited to the special sound, antique building without its own independent design criteria.This article was based on the design of further structural stress analysis, this was a new area of anti

6、que architecture.Tiansheng Temple was modeled Guanyinge their conduct stress analysis, test design specifications state the applicability of the antique building, and in the general design criteria based on the more suitable for antique building standards.In this thesis, the structure of the force a

7、s the main means of calculation, using ANSYS software to simulate the main structure from the basic start, build castles in the whole model, the force of the key sites were analyzed.Considering the force of the Goddess of Mercy House in the key parts of the state, shall be subjected to appropriate l

8、oad, get the force structure, and to propose the development trend of the force structure, and propose measures for strengthening and optimization. Hope this research can achieve the desired results.Key words:Antique buildings；Modeling；Strength analysis；ANSYS目錄第一章緒論.61.1 中國古建筑的歷史文化價值.61.2古建筑結(jié)構(gòu)的模數(shù)體系.

9、71.2.1材分制.7斗口制.8柱徑制.91.3課題研究的背景.9第二章.仿古建筑的結(jié)構(gòu)形式.102.1 仿古建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求.102.1.1模數(shù)要求和構(gòu)件定型化.112.1.2屋面造型要求.112.1.3獨(dú)特的結(jié)構(gòu)構(gòu)件.112.2觀音閣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).132.2.1平面.132.2.2立面.142.2.3梁、枋.15第三章.ANSYS有限元分析.163.1ANSYS軟件介紹.163.2 ANSYS基本操作過程.173.3單元類型的選取.18該選桿單元還是梁單元.18對于薄壁結(jié)構(gòu)是選實(shí)體單元還是殼單元.19 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)中常用的單元類型.193.4 單元類型的選擇.203.5 有限元法的概述和具體

10、步驟.22 單元劃分和位移模式的確定.22 單元分析.23 總體分析.24 求解有限元方程組.243.6 非線性有限元的基本理論和分析步驟.25 單元分析.25 整體分析.26 求解非線性方程組.26第四章. 觀音閣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析.274.1 荷載統(tǒng)計.27 荷載分類和荷載代表值.27 荷載組合.27 雪荷載.29 風(fēng)荷載.304.2 荷載計算.32 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范得出的數(shù)據(jù).32 求解豎向荷載.33 求解水平風(fēng)荷載.344.3 有限元分析觀音閣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.38第五章. 結(jié)論.64致 謝.66聲 明.67參考文獻(xiàn).68外文翻譯.71第一章緒論1.1中國古建筑的歷史文化價值中國古建筑是指在近

11、代西方文明影響中華文明之前，在中國古文化作用下產(chǎn)生的建筑物、構(gòu)筑物、建筑方法和相關(guān)體制。中國古建筑的影響范圍很廣，遍及了半個亞洲和眾多少數(shù)民族地區(qū)，在世界建筑歷史中占有不可忽視的重要地位。甲骨文中，不少漢字就借用兩坡頂?shù)慕ㄖ蜗髞碓熳郑F(xiàn)代漢字中偏旁部首中的“寶蓋頭”就是建筑形象的直接體現(xiàn)。相對于西方文明，中國的古建筑充分發(fā)揮了木材這種建筑材料的優(yōu)勢，以四角起翹的大屋頂和斗拱為象征；同時，沿著400毫米等降水量線綿延幾千公里，長城是從戰(zhàn)國時代就開始修筑的，在失去了防御北方游牧民族的歷史作用之后，已經(jīng)成為中國乃至中華文明的象征，成為民族精神的象征，更是成為世界古建筑文化中的象征。作為歷史文化遺產(chǎn)

12、，古建筑與旅游注定有著密不可分的聯(lián)系。作為一個城市甚至民族歷史文化的象征，古建筑擁有多方面的價值和功能，如果這些價值不能有效和充分地體現(xiàn)在大眾面前，那么古建筑的價值就會大打折扣。旅游因其特有的能給大眾帶來快樂的功能，無疑成為古建筑價值展示的首要途徑。古建筑通過旅游形式，能夠傳遞知識，啟迪智慧，陶冶情操，還能弘揚(yáng)民族文化，延續(xù)歷史文脈，喚起人們的愛國熱情；同時，旅游使得人們對古建筑的保護(hù)觀念日益深入，從而能使社會各界自發(fā)或自覺的保護(hù)古建筑。古建筑的可貴，除了它們是用金錢和血汗建成的之外，更重要的是它們的歷史文化價值，經(jīng)過了不知多少風(fēng)風(fēng)雨雨的磨煉，有的已成為幾百年乃至上千年的歷史。如果它們被毀壞了

13、，就永遠(yuǎn)不可能恢復(fù)到原來的模樣。比如一個唐、宋時期的古建筑因某種原因被拆毀了，從而就再也無法使其復(fù)原，即使根據(jù)資料能重新恢復(fù)，但它已成為了一個復(fù)制品，一個假古董，它的存在也就毫無價值了。所以人們常常把一件文物、一座古建筑的破壞稱為“不可挽回的損失、不可彌補(bǔ)的損失”。古建筑是我國古代建筑活動的主要體現(xiàn)，是我國古代建筑技術(shù)、藝術(shù)的結(jié)晶，也是我國古代乃至近代政治、經(jīng)濟(jì)、社會活動的載體，是全方位反映我國古代社會政治、經(jīng)濟(jì)、文化特征的歷史遺產(chǎn)，具有價值高、代表性強(qiáng)、分布廣、時間橫跨大，類型多樣的特點(diǎn)，已成為自開展文物建筑保護(hù)工作以來我國不可移動文物保護(hù)的主要對象。古建筑是歷史文化的載體，是特殊的不動產(chǎn)，

14、在現(xiàn)代化建設(shè)中，它具有保護(hù)和利用的雙重價值。1.2古建筑結(jié)構(gòu)的模數(shù)體系中國傳統(tǒng)建筑經(jīng)歷了數(shù)千年的發(fā)展而從未間斷過，這與我國古建筑的模數(shù)制有密不可分的關(guān)系。模數(shù)制在設(shè)計和施工中簡單易行，往往就是幾條口訣而代代相傳。李允先生就曾說過：“世界上真正實(shí)現(xiàn)過建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和模數(shù)化的只有中國的傳統(tǒng)建筑?！备鶕?jù)模數(shù)體系的基數(shù)不同，模數(shù)制可分為三類：材分制、斗口制和柱徑制。1.2.1材分制宋代頒布的營造法式對材分制有明確的介紹，材分制也主要是在宋代使用。此處的材是截面寬高比為2：3，寬度從3寸到6寸，分為八個尺寸等級的矩形截面方桿料。一分又為材高的1/15。其中寬高比為2：3蘊(yùn)含著深刻的力學(xué)原理，構(gòu)件的矩形截

15、面既好加工又易于和其他構(gòu)件規(guī)整連接，而從圓形截面中切出一個矩形截面其截面抗彎慣性矩最大而自重最輕，按現(xiàn)代材料力學(xué)方法計算，矩形截面長短邊尺寸最合理的尺寸比值為/1，為便于施工，尺寸取整，與/1最接近的就是3：2圖1.1截面圖關(guān)于八個材等的尺寸和選用標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)陳明達(dá)先生對營造法式的研究整理列于表1.1表1.1 八個材等的尺寸和使用范圍材等寬（寸）×高（寸）份值/寸使用說明第一等6×90.60殿身911間用之第二等5.5×8.250.55殿身57間用之第三等5×7.50.50殿身35間或廳堂7間用之第四等4.8×7.20.48殿身3間或廳堂5間用之第

16、五等4.4×6.60.44殿小3間廳堂大3間用之第六等4×60.40廳榭或小廳堂用之第七等3.5×5.250.35小顛或小亭用之第八等3×4.50.30殿內(nèi)藻井或小亭榭用之1.2.2斗口制“斗口制”在清朝時發(fā)展起來，并廣泛應(yīng)用于帶斗拱的宮殿式建筑。斗口指斗拱最下層坐斗（大斗）面寬方向的刻口，建筑各部位及構(gòu)件尺寸都以此為基本模數(shù)，此次研究的天盛寺觀音閣斗口值為80mm。斗口又分為十一個等級，稱為十一等材，有圖可見這十一個等級斗口由6寸到1寸以半寸為一個級差遞減。圖1.2斗口的等級圖1.2.3柱徑制小式建筑無斗拱，以檐柱徑為基本模數(shù)建造，稱為“柱徑制”。設(shè)計

17、者通常是在確定了開間或柱高尺寸后，按比例關(guān)系（6P12）反推檐柱徑。1.3課題研究的背景隨著人們對考古熱情的不斷升溫和全國各地不斷出現(xiàn)的古代遺址，人們越來越重視古代建筑、民族建筑。與此同時現(xiàn)代建筑的施工工藝也日趨完善，全國各地都有大量鋼筋混凝土仿古建筑在建造和修建。仿古建筑的設(shè)計都是采用現(xiàn)代建筑的理論和規(guī)范，而這些都是依據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)形式制定的。古建筑的主體形式與現(xiàn)代的多層和高層有很大不同，現(xiàn)行規(guī)范對仿古建筑的適用性較差。本文就是以天盛寺觀音閣為樣例，對其進(jìn)行受力分析，來檢驗(yàn)國家建筑設(shè)計規(guī)范對仿古建筑的適用性，并在一般設(shè)計準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上提出更符合仿古建筑的標(biāo)準(zhǔn)。該樓閣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，堪稱古建筑

18、的最好體現(xiàn)，對它的研究可以推廣到其他古建筑。第二章仿古建筑的結(jié)構(gòu)形式2.1 仿古建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求仿古建筑是指在建筑形式上與傳統(tǒng)建筑比較相似,且從建筑外觀上看基本體現(xiàn)了傳統(tǒng)建筑的主要特征。但結(jié)構(gòu)、材料及施工技術(shù)方面均反映了近現(xiàn)代建筑的主要特征,是近現(xiàn)代的建筑作品。仿古建筑多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，另有少一部分建筑為鋼結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)。目前,很多人覺得在新建筑上加入一些傳統(tǒng)建筑的元素與特點(diǎn),就認(rèn)為是仿古建筑。到底怎樣的建筑才算是仿古建筑,我們有必要對其作一個定性說明?，F(xiàn)階段的仿古建筑多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)代替木結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到與木構(gòu)架相同的外觀效果，必須在裝修方面涂上特殊的顏料使其達(dá)到效果，與傳統(tǒng)的

19、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，仿古建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下特殊要求:1.單體建筑必須有臺基、屋身、屋頂這三段傳統(tǒng)式構(gòu)圖,并且主體建筑的屋頂和外部樣式必須表現(xiàn)為傳統(tǒng)形式。2.三段傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)的立面比例必須按照傳統(tǒng)建筑的比例來建造。3.立面在外觀上必須很大程度地體現(xiàn)出傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的形式及裝飾風(fēng)格,或有斗挑檐木隔扇門窗、或有木隔扇門窗、或有掛落雀替、或有彩畫圖案等。以上幾條缺一不可,才為仿古建筑。我們不能將看似有傳統(tǒng)色彩的新建筑,或在傳統(tǒng)建筑風(fēng)格上加入新鮮元素的建筑稱為仿古建筑。2.1.1模數(shù)要求和構(gòu)件定型化各受力部位的構(gòu)件的規(guī)格尺寸必須滿足古典建筑的模數(shù)尺寸要求，傳力體系的構(gòu)成極其各構(gòu)件的尺度和形狀必須完全仿照

20、古代木結(jié)構(gòu)中柱,梁,枋,檁的相應(yīng)做法來制作。2.1.2屋面造型要求屋面的變化非常顯著，外觀的造型上要求很高，構(gòu)架體系采用了步架和舉架的處理方法，使屋面坡度隨高度的增加而增大，越往上的越陡峻，越往下的越平緩，形成了優(yōu)美曲線，出檐深遠(yuǎn)的特征，體現(xiàn)了我國古代建筑的造型特點(diǎn)。2.1.3獨(dú)特的結(jié)構(gòu)構(gòu)件斗拱：斗拱中方型的底座叫做斗，上面錯落搭建的船形木塊叫做拱。斗拱是中國傳統(tǒng)古建筑特有的型制，它位于木結(jié)構(gòu)梁和柱子之間，具有傳導(dǎo)屋面荷載、加大屋檐挑出長度、縮短梁枋跨度、吸收地震能量等結(jié)構(gòu)作用和裝飾作用，是中國古代建筑中最具特色的部分之一。對于仿古建筑而言"因主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，裝飾常常成為斗拱的

21、主要作用。圖2.1 斗拱雀替：用于額枋（檐枋）與檐柱相交處，近似于三角形，表面有雕刻裝飾的構(gòu)件?？梢钥s短梁枋的凈跨距離，具有輔助拉結(jié)和裝飾雙重功能。圖2.2 雀替檐頭：鋼筋混凝土仿古建筑檐頭挑出部分主要靠板承重，板下面的椽子可以現(xiàn)澆，也可以預(yù)制，但不論現(xiàn)澆或預(yù)制都不起結(jié)構(gòu)作用，它們的存在只是檐口造型的需要。對檐口部分的技術(shù)處理中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)有本質(zhì)區(qū)別。圖2.3檐頭梁架：鋼混仿古建筑如果是露明造者，必須按古建形制，仿做出梁架檁木及椽子望板，并且要做油飾彩繪，施工難度相當(dāng)大。如果是非露明造，則上部梁架檁木的設(shè)計就可以大大簡化，并且可以采取能滿足結(jié)構(gòu)要求的各種構(gòu)造形式。柱子的收分和側(cè)腳：

22、古建筑的柱子有收分和側(cè)腳，在做仿古建筑時收分和側(cè)腳可做可不做。收分側(cè)腳對木結(jié)構(gòu)施工是件很簡單的事，對于鋼筋混凝土施工就會帶來很多麻煩。收分要求柱子直徑下大上小，這從支模板到綁鋼筋要著意去做；側(cè)腳要求外圈柱頭向內(nèi)側(cè)傾斜，也會給設(shè)計施工都帶來一些不便。還有一個很重要的原因是仿古建筑不做收分側(cè)腳對建筑外型和結(jié)構(gòu)均沒有任何影響，當(dāng)然，如果要更講究一些，也可以把收分、側(cè)腳都做出來，這就要對施工提出更高的要求。2.2觀音閣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)明、清之前的樓閣多采用插柱造的結(jié)構(gòu)形式（圖或解釋），這種構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)較為薄弱，再有樓閣大多是高聳結(jié)構(gòu)，易發(fā)生傾斜或扭轉(zhuǎn)。隨著結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展，明、清樓閣多采用疊柱式、通柱式（此處所

23、講的柱指內(nèi)圈主要承重柱）或混合式。天盛寺觀音閣即屬于混合形式，外圍疊柱，內(nèi)圈通柱，根據(jù)自身特點(diǎn)可以總結(jié)出下面幾條構(gòu)造特點(diǎn)：2.2.1 平面此樓閣各層平面都是對稱的正方形，布局簡單實(shí)用，更重要的是對稱結(jié)構(gòu)的剛度分布均勻，可以起到良好的抗震效果。一層平面建在臺基之上，高于地面2.1m，下部的石質(zhì)紋理托起上部的深紅色木質(zhì)紋理，建筑感官上堅實(shí)穩(wěn)固。一層到二層的中空構(gòu)架都有中部空核，以安放觀音像，類似于現(xiàn)代的筒狀結(jié)構(gòu)。二層至頂層是一個夾層，無門窗，外墻壁被底檐覆蓋，只供人們游覽之用。圖2.4平面圖2.2.2立面圖2.5立面圖此觀音閣的四個立面基本相同，面對觀音像的立面為正立面。整體看去樓閣呈錐形，這與外

24、圍疊柱逐層內(nèi)收有關(guān)。上面提到的明、清之前的插柱就是疊柱的一種形式，斗拱連接處相對薄弱。即使在仿古建筑中斗拱內(nèi)核的鋼筋混凝土童柱仍較下部的檐柱細(xì)得多。所以各層外圍的檐柱都不是主要承力柱，它僅承擔(dān)外檐自重。由下至上各層檐柱都內(nèi)收1.8m,使下層的金柱到上層變?yōu)殚苤?，不僅建筑造型優(yōu)美，而且重心降低，大大增強(qiáng)了穩(wěn)定性。內(nèi)圈通柱是主要的承力柱，承擔(dān)樓板、屋面自重和人流荷載。天盛寺觀音閣是中空構(gòu)架，樓板剛度較小，所以建筑的側(cè)移剛度有很大一部分需通柱提供。在現(xiàn)澆的鋼筋混凝土仿古建筑中表現(xiàn)的更為明顯。圖2.6檐柱2.2.3梁、枋外圍檐柱頂部設(shè)有額枋和桃尖梁，相當(dāng)于現(xiàn)代建筑中的圈梁。檐柱和金柱間由穿插枋拉結(jié)。梁

25、、枋穿插于柱間，對結(jié)構(gòu)的整體性起到重要作用。內(nèi)圈通柱和梁樓板組成了完整的承力構(gòu)架，其他部件可自由布設(shè)，或是裝飾或是隔斷，樓閣內(nèi)部空曠，符合宗教建筑讓人肅然起敬的要求。第三章ANSYS有限元分析3.1 ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是20世紀(jì)70年代由美國ANSYS公司開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的有限元通用分析程序，作為大型通用商業(yè)有限元軟件，ANSYS憑借其功能完備的前后處理器、強(qiáng)大的圖形處理能力和分析計算能力，以及在有限元分析中顯示出的實(shí)用性、方便性，引領(lǐng)著有限元界的發(fā)展趨勢，并為全球工業(yè)界廣泛接受。ANSYS軟件是第一個通過1509001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計類軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASM

26、E)、美國核安全局(NQA)及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證并在國務(wù)院17個部委推廣使用。ANSYS軟件同樣受到中國廣大研究人員和土木工程師的青睞，在中國的很多大型土木工程中都得到了應(yīng)用，如上海金茂大廈、國家大劇院、沈陽博覽中心、上海浦東二十一世紀(jì)中心大廈、廣州新體育館、上海科技城、廣州新白云機(jī)場、潤揚(yáng)長江大橋、黃河下游特大型公路斜拉橋、龍首電站大壩、二灘電站和三峽工程等。ANSYS有限元軟件具有強(qiáng)大的非線性計算分析功能，可以解決接觸、狀態(tài)改變、幾何非線性以及材料非線性問題。非線性分析分為建模、加載并求解、檢查結(jié)果三個步驟。建模的主要

27、內(nèi)容是建立合理的簡化結(jié)構(gòu)模型、選擇分析單元、定義材料參數(shù)和實(shí)常數(shù)(對于非線性分析這一步可能包括特殊的單元或非線性材料性質(zhì))以及劃分單元形成有限元模型;在加載并求解步驟中施加邊界條件和荷載到實(shí)體模型或者有限元模型上，并定義分析類型和選項(xiàng)，選擇求解器進(jìn)行有限元求解，對于非線性分析要定義分析類型和分析選項(xiàng)，并選擇加載方式，定義收斂準(zhǔn)則等;檢查結(jié)果包括應(yīng)力、位移、應(yīng)變以及反作用力等。借助ANSYS，我們無需重新開發(fā)專門的非線性有限元軟件，只要熟練使用ANSYS即可得到高效合理的有限元模型。APDL是ANSYS ParametrieDesignLanguage的縮寫，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言。它是一種

28、解釋性語言，提供了如重復(fù)、分支、循環(huán)、宏以及標(biāo)量、矢量和矩陣運(yùn)算等功能。它是一種通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言，用建立智能化分析的手段為用戶提供了自動完成有限元分析過程的功能，即程序的輸入可設(shè)定為根據(jù)制定的函數(shù)、變量以及選用的分析標(biāo)準(zhǔn)來做決定。APDL允許復(fù)雜數(shù)據(jù)的輸入，使用戶對任何設(shè)計和分析屬性有控制權(quán)，擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，并擴(kuò)充了更高級的運(yùn)算，包括靈敏度研究、優(yōu)化設(shè)計等。具體為參數(shù)、參數(shù)數(shù)組、表達(dá)式與函數(shù)，分支與循環(huán)、重復(fù)等功能，從而為優(yōu)化設(shè)計運(yùn)行繁瑣的迭代提供了可能。3.2 ANSYS基本操作過程ANSYS分析過程一般包括三個步驟:前處理、求解和后處理1、前處理

29、：前處理是整個分析的開始階段，目的是建立一個符合實(shí)際情況的有限元分析模型。(l)定義單元和材料類型(2)建立幾何模型(3)進(jìn)行網(wǎng)格劃分(4)定義邊界及約束條件2、施加荷載并求解(l)定義荷載信息(2)指定分析類型和分析選項(xiàng)(3)執(zhí)行求解計算3、后處理對計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和相關(guān)的分析，利用通用處理器POSTI和時間歷程后處理器POST26完成。3.3單元類型的選取單元類型的選取，和你要解決的問題有著密不可分的關(guān)系。在選取單元類型前，首先你要對你所研究的問題有非常深刻的認(rèn)識，然后把對于每一種單元的類型是什么，每個節(jié)點(diǎn)的自由度應(yīng)該有多少個，包含有哪些性質(zhì)，能夠在哪些條件下使用等問題搞明白，我們

30、可以在ANSYS的幫助文檔中找到非常詳細(xì)的描述，要結(jié)合自己的問題，對照ANSYS幫助文檔里面的單元描述來選取恰當(dāng)?shù)膯卧愋?。該選桿單元（Link）還是梁單元(Beam)這個比較容易理解。桿單元只能承受沿著桿件方向的拉力或者壓力，桿單元不能承受彎矩，這是桿單元的基本特點(diǎn)。梁單元則既可以承受拉，壓，還可以承受彎矩。如果你的結(jié)構(gòu)中要承受彎矩，肯定不能選桿單元。對于梁單元，常用的有beam3,beam4,beam188這三種，他們的區(qū)別在于：1)beam3是2D的梁單元，只能解決2維的問題。2)beam4是3D的梁單元，可以解決3維的空間梁問題。3)beam188是3D梁單元，可以根據(jù)需要自定義梁的截

31、面形狀。對于薄壁結(jié)構(gòu)，是選實(shí)體單元還是殼單元對于薄壁結(jié)構(gòu)，最好是選用shell單元，shell單元可以減少計算量，如果你非要用實(shí)體單元，也是可以的，但是這樣計算量就大大增加了。而且，如果選實(shí)體單元，薄壁結(jié)構(gòu)承受彎矩的時候，如果在厚度方向的單元層數(shù)太少，有時候計算結(jié)果誤差比較大，反而不如shell單元計算準(zhǔn)確。實(shí)際工程中常用的shell單元有shell63,shell93。shell63是四節(jié)點(diǎn)的shell單元(可以退化為三角形)，shell93是帶中間節(jié)點(diǎn)的四邊形shell單元(可以退化為三角形),shell93單元由于帶有中間節(jié)點(diǎn)，計算精度比shell63更高，但是由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目比shell6

32、3多，計算量會增大。對于一般的問題，選用shell63就足夠了。除了shell63,shell93之外，還有很多其他的shell單元，譬如shell91,shell131，shell163等等，這些單元有的是用于多層鋪層材料的，有的是用于結(jié)構(gòu)顯示動力學(xué)分析的，一般新手很少涉及到。通常情況下，shell63單元就夠用了。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)中常用的單元類型表3.1 單元類型類別形狀和特性單元類型桿普通LINK1 LINK8雙線性LINK10梁普通BEAM3 BEAM4截面漸變BEAM54 BEAM44塑性BEAM23 BEAM24考慮剪切變形BEAM188BEAM189管普通PIPE16PIPE17 PI

33、PE18浸入PIPE59塑性PIPE20PIPE602-D實(shí)體四邊形PLANE42PLANE82PLANE182三角形PLANE2超彈性單元HYPER84 HYPER56 HYPER74粘彈性VISCO88大應(yīng)變VISO106VISO108諧單元PLANE83PPNAE25P單元PLANE145PLANE1463-D實(shí)體塊SOLID45 SOLID95 SOLID73 SOLID185四面體SOLID92 SOLID72層SOLID46各向異性SOLID64SOLID65超彈性單元HYPER86HYPER58HYPER158粘彈性VISO89大應(yīng)變VISO107P單元SOLID147 SOLI

34、D148殼四邊形SHELL93SHELL63SHELL41 SHELL43SHELL181軸對稱SHELL51 SHELL61層SHELL91 SHELL99剪切板SHELL28P單元SHELL1503.4 單元類型的選擇l、BEAM4單元BEAM4單元-三維彈性梁單元(見圖3.1) 是一個軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲單元，也是具有拉壓扭彎能力的單軸元素，每個節(jié)點(diǎn)有6個自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動。本單元具有應(yīng)力剛化和大變形功能。在大變形（有限轉(zhuǎn)動）分析中允許使用一致切線剛度矩陣選項(xiàng)。下圖是本單元的示意圖：圖3.1 beam4單元2、SHELL63單元SHELL63

35、單元-彈性殼單元(見圖3.2) 有彎曲和薄膜兩種功能。面內(nèi)和法向載荷都允許。該單元每個節(jié)點(diǎn)有六個自由度： x、 y、z 方向的平動和繞x、 y、z軸的轉(zhuǎn)動。本單元包括應(yīng)力剛化和大變形功能。在大變形分析（有限轉(zhuǎn)動）中，可以用一致切向剛度矩陣。ETCHG命令可以將SHELL57 和SHELL157單元轉(zhuǎn)變?yōu)镾HELL63。下圖是本單元的示意圖：圖3.2 shell63單元3.5 有限元法的概述和具體步驟有限元法按所取基本未知量的不同分為位移法和力法。位移法以節(jié)點(diǎn)的位移為基本未知量，力法是以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量。位移法由于容易實(shí)現(xiàn)電算求解而應(yīng)用廣泛，本文使用的有限元軟件ANSYS是采用位移法求解。按位

36、移法對線彈性問題作有限元分析主要有四步:單元劃分和位移模式的確定、單元分析、總體分析及有限元方程組的求解。3.5.1 單元劃分和位移模式的確定將真實(shí)連續(xù)結(jié)構(gòu)用有限個僅在節(jié)點(diǎn)處相接的離散單元的組合體來代替，并使這些單元按變形協(xié)調(diào)條件相互聯(lián)系，形成結(jié)構(gòu)離散化模型或有限元系統(tǒng)，其單元內(nèi)部任意點(diǎn)的位移與單元各節(jié)點(diǎn)處的位移之間存在一定的位移模式關(guān)系:（3.1）式中:-任意點(diǎn)的位移分量列陣;-形函數(shù)矩陣;-單元節(jié)點(diǎn)位移分量列陣。3.5.2 單元分析根據(jù)位移模式，由彈勝力學(xué)中的應(yīng)力-位移關(guān)系可得單元幾何方程：（3.2）式中:-單元應(yīng)變分量列陣;-應(yīng)變矩陣。又由材料的物理方程: （3.3）將（3.2）式代入（

37、3.3)代入可以得: （3.4）式中: -單元應(yīng)力分量列陣;-彈性矩陣。再利用虛位移原理，按照虛功方程:（3.5）考慮到，可得單元平衡方程：（3.6）其中: -任意節(jié)點(diǎn)的虛應(yīng)變分量列陣;-單元節(jié)點(diǎn)虛位移分量列陣;-單元節(jié)點(diǎn)力分量列陣;-單元剛度矩陣。3.5.3 總體分析綜合離散體的所有單元則可形成整體平衡方程:（3.7）式中:-整體節(jié)點(diǎn)荷載列陣;-整體剛度矩陣;-整體節(jié)點(diǎn)位移列陣。3.5.4 求解有限元方程組引入位移邊界條件，求解方程組得基本未知量，然后由基本未知量求得應(yīng)變、應(yīng)力等未知量。3.6 非線性有限元的基本理論和分析步驟經(jīng)典彈性力學(xué)假設(shè)位移與應(yīng)變的關(guān)系是線性的，在大多數(shù)的情況下，可起到

38、減少工作量并得到合理精度的作用。但在實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)經(jīng)受大變形，它變化的幾何形狀可能會引起結(jié)構(gòu)的非線性地響應(yīng)，即在較大變形的情況下，位移與應(yīng)變的關(guān)系不再是線性的。一般稱考慮位移與應(yīng)變非線性關(guān)系或采用大應(yīng)變理論的問題為幾何非線性問題。通常，幾何非線性問題分為兩大類，即大位移小應(yīng)變問題和大位移大應(yīng)變問題。所謂大位移小應(yīng)變是指結(jié)構(gòu)應(yīng)變很小，此時小應(yīng)變假設(shè)仍然適用，甚至未超過彈性極限，但位移大，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大轉(zhuǎn)動，平衡條件必須考慮變形的影響，其后果是導(dǎo)致應(yīng)變包含不可忽略的位移二次項(xiàng)，平衡方程和幾何關(guān)系都是非線性的。對這一類問題的研究開始比較早，尤其在細(xì)長體和薄殼的穩(wěn)定方面。而大位移大應(yīng)變是指結(jié)構(gòu)不但產(chǎn)生大

39、變形，即位移與應(yīng)變關(guān)系不可用線性來描述，且應(yīng)變超過10%以上，此時小應(yīng)變假設(shè)完全不再適用，如類橡膠材料的變形，實(shí)際上這已是一種混合非線性問題，St.Venont和Kirchhoff等曾在這方面作過研究。顧名思義，材料非線性指結(jié)構(gòu)的材料在外荷載達(dá)到一定數(shù)值時，物理方面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再保持線性關(guān)系。非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是結(jié)構(gòu)非線性的主要原因之一。非線性有限元的分析過程為:3.6.1 單元分析和線性問題相比較，非線性問題的基本不同之處在于單元剛度矩陣的形成有所差別，當(dāng)為材料非線性問題時，則使用材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，即小變形條件下的非線性本構(gòu)方程，由虛功原理得到的單元的平衡方程也完全適用于材料非

40、線性問題。當(dāng)僅為非線性幾何問題時，在計算應(yīng)變位移矩陣B時，應(yīng)考慮位移的高階倒數(shù)項(xiàng)的效應(yīng)，同時對于所有積分，應(yīng)計及單元體的變化。對于同時兼有材料非線性和幾何非線性的這兩種非線性問題時，則應(yīng)考慮這兩種非線性的藕合效應(yīng)。3.6.2 整體分析在整體分析中，單元剛度矩陣要組集成為整體剛度矩陣，整體剛度方程的建立及約束處理，大體上與線性體系問題相同，只是通常將整體剛度矩陣寫成增量形式。3.6.3 求解非線性方程組非線性方程組的求解方法與線性方程組的求解方法有很大差別，由于結(jié)構(gòu)的平衡實(shí)際上是在結(jié)構(gòu)的變形之后達(dá)到的，所以對于非線性問題，結(jié)構(gòu)的平衡方程必須建立在結(jié)構(gòu)變形之后的狀態(tài)上，分析的基本問題是求出當(dāng)前載荷

41、作用下的平衡狀態(tài)，如果作用的載荷被描述成時間的函數(shù)，則物體有限元離散系統(tǒng)的平衡方程可表示為: (3.8)式中，P為t時刻外荷載節(jié)點(diǎn)力向量，為t時刻由單元應(yīng)力引起的節(jié)點(diǎn)力向量，應(yīng)計入所有的非線性效應(yīng)。從本質(zhì)上看，非線性問題的幾何性質(zhì)和材料性質(zhì)與路徑相關(guān)或者時間相關(guān)，所以在求解非線性問題時主要以增量法為主，每個增量步又輔之以平衡迭代，最終歸結(jié)為非線性代數(shù)方程組的解法。第四章 觀音閣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析4.1 荷載統(tǒng)計 荷載分類和荷載代表值1.結(jié)構(gòu)上的荷載分為下列三類：永久荷載，可變荷載，偶然荷載。2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對不同荷載應(yīng)采用不同的荷載值：（1）對永久荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值。（2）對可變荷載應(yīng)根

42、據(jù)設(shè)計要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值作為代表值。（3）對偶然荷載應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)使用的特點(diǎn)確定其代表值。3.永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值對結(jié)構(gòu)自重可按結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸與材料單位體積的自重計算確定。對于自重變異較大的材料和構(gòu)件，自重的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)根據(jù)對結(jié)構(gòu)的不利狀態(tài)，取上限值或下限值。4.承載能力極限狀態(tài)設(shè)計或正常使用極限狀態(tài)按標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)計時，對可變荷載應(yīng)按組合規(guī)定采用標(biāo)準(zhǔn)值或組合值作為代表值。可變荷載組合值，應(yīng)為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載組合值系數(shù)。5.正常使用極限狀態(tài)按頻遇組合設(shè)計時，應(yīng)采用頻遇值、準(zhǔn)永久值作為可變荷載的代表值；按準(zhǔn)永久組合設(shè)計時，應(yīng)采用準(zhǔn)永久值作為可變荷載的代表值?？勺兒奢d頻遇值應(yīng)取可變

43、荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載頻遇值系數(shù)?？勺兒奢d準(zhǔn)永久值應(yīng)取可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)。 荷載組合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載（效應(yīng)）組合，并應(yīng)取各自的最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計。 對于承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)按荷載效應(yīng)的基本組合或偶然組合進(jìn)行荷載（效應(yīng)）組合，并應(yīng)采用下列設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計： (4.1)式中 ：-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S -荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值；R -結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計值。 對于基本組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值S應(yīng)從下列組合值中取最不利值確定： 1）由可變荷載效應(yīng)控制的組合：（4.2）式中 ：-永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；-

44、第i個可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，其中為可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)；-按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值GK計算的荷載效應(yīng)值；-按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算的荷載效應(yīng)值，其中為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者；-可變荷載的組合值系數(shù)；n - 參與組合的可變荷載數(shù)。 2）由永久荷載效應(yīng)控制的組合： （4.3）注： 永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)：當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時- 對由可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.2；- 對由永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取1.35；當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時- 一般情況下應(yīng)取1.0；- 對結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取0.9?？勺兒奢d的分項(xiàng)系數(shù)： - 一般情況下應(yīng)取1.4； - 對標(biāo)準(zhǔn)值大于4KN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載應(yīng)取1

45、.3。 雪荷載屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計算：（4.4）式中 ：-雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）；-屋面積雪分布系數(shù)；- 基本雪壓（KN/m2）?；狙簯?yīng)按規(guī)范給出的50年一遇的雪壓采用。對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，基本雪壓應(yīng)適當(dāng)提高，并應(yīng)由有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具體規(guī)定。雪荷載的組合值系數(shù)可取0.7；頻遇值系數(shù)可取0.6；準(zhǔn)永久值系數(shù)應(yīng)按雪荷載分區(qū)、和的不同，分別取0.5、0.2和0；雪荷載分區(qū)應(yīng)按規(guī)范給出的規(guī)定采用。設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)及屋面的承重構(gòu)件時，可按下列規(guī)定采用積雪的分布情況：1.屋面板和檁條按積雪不均勻分布的最不利情況采用； 2.屋架和拱殼可分別按積雪全跨均勻分布情況、不均勻分布的情況

46、和半跨的均勻分布的情況采用； 3.框架和柱可按積雪全跨的均勻分布情況采用。 風(fēng)荷載 垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下述公式計算： 當(dāng)計算主要承重結(jié)構(gòu)時： （4.5）式中 ：-風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）； -高度z處的風(fēng)振系數(shù)；-風(fēng)荷載體型系數(shù)； -風(fēng)壓高度變化系數(shù)； -基本風(fēng)壓（KN/m2）。當(dāng)計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時： （4.6）式中 ：-高度z處的陣風(fēng)系數(shù)。 基本風(fēng)壓應(yīng)按規(guī)范給出的50年一遇的風(fēng)壓采用，但不得小于0.3 KN/m2。 對于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對風(fēng)荷載比較敏感的其他結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓應(yīng)適當(dāng)提高，并應(yīng)由有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范具體規(guī)定。 風(fēng)荷載的組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)可分別取0.6

47、、0.4和0。 風(fēng)壓高度變化系數(shù) 對于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別確定，地面粗糙度可分為A、B、C、D四類： - A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)； - B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)； - C類指有密集建筑群的城市市區(qū)； - D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。 對于一般懸臂型結(jié)構(gòu)，例如構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，以及高度大于30米，高寬比大于1.5且可忽略扭轉(zhuǎn)影響的高層建筑，均可僅考慮第一振型的影響，結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載可按公式（4.5）通過風(fēng)振系數(shù)來計算，結(jié)構(gòu)在z高度處的風(fēng)振系數(shù)可按下式計算： (4.7)式中 ： -脈動增

48、大系數(shù)；-脈動影響系數(shù)；-振型系數(shù)；-風(fēng)壓高度變化系數(shù)。4.2 荷載計算根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范得出下列數(shù)據(jù)：1民用建筑樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：1KN/m22民用建筑樓面均布活荷載組合值系數(shù)=0.73屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）不上人的屋面：0.5 ； 上人的屋面：2.04地面粗糙度為B類5風(fēng)荷載體型系數(shù)：=1.36基本風(fēng)壓為：0.45 KN/m27脈動增大系數(shù)：表4.1脈動增大系數(shù)0T12混凝土及砌體結(jié)構(gòu)0.041.170.061.198脈動影響系數(shù)：表4.2 脈動影響系數(shù)總高度粗糙度B類200.79300.839風(fēng)壓高度變化系數(shù)：表4.3 風(fēng)壓高度變化系數(shù)Z離地面高度（M）粗糙度為B類51

49、.00101.00151.14201.25301.4210高層建筑的振型系數(shù)：表4.4高層建筑的振型系數(shù)相對高度zH振型序號為10.10.020.20.080.30.170.40.270.50.380.60.450.70.670.80.741.01.0011建筑每層的高度（M）：表4.5建筑每層的高度一層 二層三層四層頂層5.238.6112.9116.9121.1812. 建筑的總寬度：B= 15M13鋼筋砼密度為26KN/m3求解豎向荷載:根據(jù)公式（4.2）和（4.3）一般層的計算：S一般 = 1.2×11.4×3.5 = 6.1比較取大值；S一般 = 1.35×1 + 1.4×0.7×3.5 = 4.78頂層的計算：S頂 = 1.2×1 + 1.4×0.5 = 1.9比較取大值；S頂 = 1.35×1 + 1.4×0.7×0.5 = 1.84所以一般層的樓面荷載取6.1KN/m2，頂層的屋面荷載取1.9KN/m2。 求解水平風(fēng)荷載：在求脈動增大系數(shù)時是基本風(fēng)壓，根據(jù)下式求得；（4.8）T1 = 0.25 + 0.53 ×10-3（21.18）2 = 0.34640 T12 = 0.45 ×（0.3464）2 = 0.054 所以通過