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1、西安市新城區(qū)某公司科研辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析報(bào)告撰寫人: 王平班 級(jí):工程力學(xué)1203學(xué) 號(hào):_J指導(dǎo)教師:張衛(wèi)喜2016年6月15日錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽 錯(cuò)誤!未定義書簽?zāi)夸?工程概況2分析依據(jù)3 荷載與計(jì)算工況 荷載簡(jiǎn)化及荷載組合邊界條件工況4有限元模型基本假定力學(xué)模型主要物理參數(shù)取值單元選
2、取分網(wǎng)與有限元模型5靜力分析模態(tài)結(jié)果靜力分析結(jié)果強(qiáng)度校核6基于ANSYS PKPM手算的誤差分析.計(jì)算原理的不同研究對(duì)象的復(fù)雜性1工程概況工程名稱:西安市新城區(qū)某公司科研辦公樓;建筑所在地:西安市;2建設(shè)規(guī)模:總建筑面積約4700m,主體結(jié)構(gòu)6層,無(wú)地下室。結(jié)構(gòu)總高度,底層結(jié)構(gòu)高度,其余層結(jié)構(gòu)高度為,幾何模型圖如圖1所示;抗震設(shè)防烈度:抗震設(shè)防烈度為 8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值,第一組。場(chǎng) 地類別為U類,特征周期為。周期折減系數(shù)為。建筑設(shè)計(jì)使用年限:50年。結(jié)構(gòu)重要性等級(jí):二級(jí)。圖1框架幾何模型圖2分析依據(jù)框架結(jié)構(gòu)是由梁、板、柱以剛接相連接而成,構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu),即由梁、 板、柱組成框架共同
3、抵抗使用過(guò)程中出現(xiàn)的水平荷載和豎直荷載。 本設(shè)計(jì)報(bào)告采 用ANSYSt限元軟件分析。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn),本結(jié)構(gòu)分析主要依據(jù)以下國(guó)家規(guī)范:1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2012).北京:中國(guó)建筑工業(yè) 出版社.2012 ;2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010).北京:中國(guó)建筑工業(yè) 出版社.2010 ;3 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2010).北京:中國(guó)建筑工 業(yè)出版社.2010 ;4建筑、勘察等技術(shù)文件3荷載與計(jì)算工況荷載簡(jiǎn)化及荷載組合1)恒載:含柱、梁、板自重;2)梁間活載以換算線荷載施加(含墻、門、窗等),如圖2所示;3)板面活荷載按
4、建筑功能分類取值A(chǔ)MCVQELEMENTSACELPRES-N!| HrROTNFORNMOMJUN 14 201618:35:44勺 alfnlz、x-9800-5933.33-7866.67-4000-2066.67-133.33318005666.673733.337600圖2框架結(jié)構(gòu)梁間荷載示意圖邊界條件1)柱底固結(jié);2)板四周與梁固結(jié),如圖3所示。圖3框架結(jié)構(gòu)板邊界示意圖工況工況一:模態(tài)分析;工況一:分析結(jié)構(gòu)可變荷載組合12樂(lè)1餛k下的剛度與強(qiáng)度;(注:由于永久荷載組合與可變荷載組合相比較小,故在此不進(jìn)行校核)工況二:對(duì)結(jié)構(gòu)在水平地震力和恒載組合作用下進(jìn)行分析。模態(tài)分析給模型加約束之
5、后,進(jìn)行前6階模態(tài)分析靜力分析在可變荷載效應(yīng)控制的荷載作用下,對(duì)框架進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校核4有限元模型基本假定1)假設(shè)混凝土為線彈性材料;2)鋼筋混凝土取整體分析,計(jì)鋼筋貢獻(xiàn);3)節(jié)點(diǎn)假定為剛接,底層柱與基礎(chǔ)剛接,樓板與梁四邊剛接力學(xué)模型1)主要受力構(gòu)件為柱、梁、板;2)抗側(cè)力構(gòu)件為柱;3)水平聯(lián)系構(gòu)件為框架梁(考慮板的貢獻(xiàn));4)柱為壓彎構(gòu)件,框架梁含彎曲、軸向變形、扭轉(zhuǎn)變形主要物理參數(shù)取值b x io:o表1主要物理參數(shù)混凝土彈性模量泊松板厚(bX h邊跨梁中跨梁縱梁次梁樓層(b X h)(bX h )等級(jí)(N/ )比(mm )(bX h)(b X h)(mm(mm(mm(mm(mm柱橫梁(b
6、xh )1C30100600 X 600 300 X 600 300 X 400 300 X 600 250 X 50025500X5006 120查閱相關(guān)資料得:鋼筋混凝土有限元模型根據(jù)鋼筋的處理方式主要分為三種,即分離式、組合式、整體式。分離式模型把鋼筋和混凝土作為不同的單元處理, 即混凝土和鋼筋各自被劃 分為足夠小的單元??紤]到鋼筋是一細(xì)長(zhǎng)材料,通??梢院雎云淇辜簦话沅摻?可作為線單元來(lái)處理。混凝土則作為實(shí)體單元來(lái)處理。分離式模型中在鋼筋和混 凝土之間可以插入連接單元來(lái)模擬鋼筋與混凝土的粘結(jié)和滑移。當(dāng)鋼筋和混凝土粘結(jié)較好,可以認(rèn)為兩者無(wú)滑移時(shí),采用組合式模型。組合 式模型中最常用兩種方
7、式第一種是分層式,即在橫截面上分成許多混凝土層和若 干鋼筋層,并對(duì)截面的應(yīng)變做出某些假定,主要適用于桿件系統(tǒng)的分層組合式; 另一種組合方式是采用等參數(shù)單元, 使用帶鋼筋膜的單元來(lái)進(jìn)行模擬,主要適用 于二維或三維結(jié)構(gòu)的帶膜組合式或帶鋼筋的組合式。整體式模型也是在考慮鋼筋與混凝土之間無(wú)滑移的情況下使用的。假定鋼筋彌散于整個(gè)單元中,并把單元視為連續(xù)均勻材料,由此求出的是綜合了混凝土與 鋼筋兩種材料的單元?jiǎng)偠染仃?。在ANSY防可以考慮的鋼筋混凝土模型一般是兩種,即分離式模型和整體式 模型。分離式模型雖然在理論上可行,但在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析時(shí),對(duì)計(jì)算機(jī)的 性能要求較高,計(jì)算效率較低。因此本文空間結(jié)構(gòu)計(jì)算
8、模型采用的是整體式有限 單元模型來(lái)處理鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。單元選取梁、柱單元的選取梁、柱采用空間Timoshenko單元,擬合其彎曲、拉壓及扭轉(zhuǎn)受力狀態(tài)。Beam 188是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁,適用于分析細(xì)長(zhǎng)的梁,其元素是基 于Timoshenko梁理論的,具有扭切變形效果。Beam188在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6或7個(gè)自由度,(自由度)數(shù)目的變化是由 KEY0PT(1來(lái)控制的。當(dāng)KEY0PT(1) = 0 時(shí)(默認(rèn)),每節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。分別是沿x,y,z的位移及繞其的轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)KEY0PT(1) = 1時(shí),會(huì)添加第七個(gè)自由度(翹曲量),Beam 188單元示意圖如圖 4所示。圖4 Timoshenko
9、梁?jiǎn)卧疽鈭D板單元的選取板采用彈性殼單元。Shell 181適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)。該單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn) ,單元每個(gè)節(jié) 點(diǎn)有六個(gè)自由度,分別為沿節(jié)點(diǎn)X,Y,Z方向的平動(dòng)及繞節(jié)點(diǎn)X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。退 化的三角形選項(xiàng)用于網(wǎng)格生成的過(guò)渡單元。 Shell 181單元具有應(yīng)力剛化及大變 形功能。該單元有強(qiáng)大的非線性功能,并有截面數(shù)據(jù)定義,分析,可視化等功能, 還能定義復(fù)合材料多層殼;Shell 181單元示意圖如圖5所示。圖5彈性殼單元示意圖分網(wǎng)與有限元模型建模思路經(jīng)查閱ANSYS相關(guān)書籍得知Beam188單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的 梁結(jié)構(gòu),該單元基于鐵木新科梁結(jié)構(gòu)理論,并考慮了剪切變形的影響
10、。有大量研究也表明該單元可以很好的模擬型鋼梁與柱,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際比較接近,那是因?yàn)殇摬牡牟馁|(zhì)比較均勻。但框架混凝土梁與柱材質(zhì)并不均勻,混凝土內(nèi)部含各種 鋼筋,故采用整體式模型,并把單元視為連續(xù)均勻材料,那么Beam188便可以很 好的模擬框架混凝土梁與柱了。Shell 181適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)該單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn),單元每個(gè)節(jié)點(diǎn) 有六個(gè)自由度,分別為沿節(jié)點(diǎn)X,Y,Z方向的平動(dòng)及繞節(jié)點(diǎn)X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。在此 處剛好可以模擬板結(jié)構(gòu)。綜上所述,得出以下建模思路:用Beam188 Shell181單元建立空間框架結(jié)構(gòu)模型,與 PKPM計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較;分網(wǎng)對(duì)梁和柱均設(shè)置為按份數(shù)進(jìn)行劃分,份數(shù)取為2
11、0;對(duì)板進(jìn)行劃分時(shí),考慮到板的邊界與梁重合,故分網(wǎng)大小與梁相同,有限元模型圖如圖4所示。圖6有限元模型圖5靜力分析模態(tài)結(jié)果對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,提取前六階振型圖,并統(tǒng)計(jì)前六階的頻率,周期和振型特點(diǎn)。表2 ANSYS分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)階數(shù)周期(s)頻率(Hz)振幅特點(diǎn)1平動(dòng),橫向2平動(dòng),縱向3扭轉(zhuǎn)4平動(dòng),橫向5平動(dòng),縱向6扭轉(zhuǎn)表3 PKPM計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)階數(shù)周期(s)頻率(Hz)振幅特點(diǎn)1平動(dòng),橫向扭轉(zhuǎn)2平動(dòng),縱向平動(dòng),橫向平動(dòng),扭轉(zhuǎn)對(duì)表2及表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,對(duì)于 PKPM計(jì)算結(jié)果,結(jié)構(gòu)在二階模態(tài)時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形;對(duì)于ANSYS計(jì)算結(jié)果,結(jié)構(gòu)在三階模態(tài)時(shí)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。ANSYS計(jì)算各階模態(tài)
12、位移圖如圖813所示圖7第一階振形圖8第二階振形圖9第三階振形圖10第四階振形圖11第五階振形圖12第六階振形靜力分析結(jié)果工況二圖13可變荷載組合下框架結(jié)構(gòu)變形圖由圖13可得,在可變荷載組合作用下框架結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在屋面樓板,最大撓度為工況三圖14整體框架位移圖圖15單榀框架位移圖由上圖14和圖15可知,在只有地震力作用下,框架水平最大位移為,PKPM 電算結(jié)果為。層間位移角由ANSYS+算的各層位移及層間位移角與手算、PKPM電算的各層位移及層 間位移角如表4、表5和表6所示。表4 ANSYS計(jì)算各層位移、層間位移角層數(shù)絕對(duì)位移相對(duì)位移層間位移角61/72151/68341/71131/6
13、2221/56411/655表5手算各層位移、層間位移角層數(shù)絕對(duì)位移相對(duì)位移層間位移角61/149151/98341/77131/66121/60211/857表6 PKPM計(jì)算各層位移、層間位移角層數(shù)絕對(duì)位移相對(duì)位移層間位移角61/179851/101141/74431/61721/55611/874由表4表6可知,ANSYS+算、PKPM電算以及手算結(jié)果的層間位移角均符 合規(guī)范要求且相差不大。強(qiáng)度校核工況二可變荷載組合下框架結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖 17所示圖16可變荷載組合下彎矩圖由圖16可知,在可變荷載組合下最大彎矩發(fā)生在梁跨中,為工況三水平地震力下框架結(jié)構(gòu)的彎矩圖如圖18所示、:圖17水平地
14、震力下彎矩圖由圖可知,在水平地震荷載作用下,最大彎矩發(fā)生在一層柱底,為6基于ANSYS PKPM手算的誤差分析計(jì)算原理的不同手算框架結(jié)構(gòu)是多次超靜定結(jié)構(gòu),縱橫向的構(gòu)件相互制約、相互影響。如果要精 確計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力,只能采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,而不能采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型, 所列的力法、位移法方程是很繁瑣的。為了簡(jiǎn)化工作量,手算只計(jì)算一榀框架結(jié) 構(gòu)模型,而忽略其他方向,這樣計(jì)算是建立在結(jié)構(gòu)規(guī)則的前提下的。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范里提出,建筑形體規(guī)則的參考指所有平面規(guī)則和豎向規(guī)則。 平面規(guī)則 有扭轉(zhuǎn)規(guī)則、凹凸規(guī)則;豎向規(guī)則則有側(cè)向剛度規(guī)則和樓層承載力突變不能太大。 只有滿足這些條件,才可以簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)。因此,
15、可以在計(jì)算框架結(jié)構(gòu)承受水 平荷載作用下的內(nèi)力、位移時(shí)采用底部剪力分配法;在計(jì)算框架結(jié)構(gòu)承受豎向荷載作用下的內(nèi)力、位移時(shí)采用彎矩分配法。ANSYS與 PKPM兩者都是有限元軟件,在有限元基本理論上都是一致的,表現(xiàn)如下:第一步:?jiǎn)栴}及求解域定義。根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)與幾何區(qū)域;第二步:求解域離散化。將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域,習(xí)慣性稱為有限元網(wǎng)格劃分;第三步:確定狀態(tài)變量及控制方法。一個(gè)具體的物理問(wèn)題通常可以用一組包 含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程表示, 為適合有限元求解,通常將微分方程 化為等價(jià)的泛函形式;第四步:?jiǎn)卧茖?dǎo)。對(duì)單元構(gòu)造
16、一個(gè)適合的近似解,即推導(dǎo)有限單元的形式, 其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系,建立單元試函數(shù),以某種方法給出單元各狀態(tài) 變量的離散關(guān)系,從而形成單元矩陣;第五步:總裝求解。將單元總裝形成離散域的總矩陣方程(聯(lián)合方程組),反映對(duì)近似求解域的要求,即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件;第六步:聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋。有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。 聯(lián)立 方程組的求解可以用直接法、迭代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元節(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量 的近似值。不同的是,兩者在單兀庫(kù)、建模、后處理等子塊程序有較大差異。ANSYS擁有豐富的單元庫(kù),有桿單元、梁?jiǎn)卧卧?、?shí)體單元、質(zhì)量單元、接觸單元、 管單元等,每個(gè)單元又劃分有
17、許多單元,如 solid45、solid65、solid66等。而 PKPM中 SATWE是采用空間桿單元模擬梁、柱,在殼單元基礎(chǔ)上凝聚成的墻單元 模擬剪力墻。綜上所述,由于各種計(jì)算原理的不同,所以計(jì)算結(jié)果可能存在較大差異。研究對(duì)象的復(fù)雜性人們用ANSYS建模進(jìn)行有限元分析的目的就是要模擬結(jié)構(gòu)真實(shí)的內(nèi)力和位 移,從而校正結(jié)構(gòu)是否安全。因此建模首要問(wèn)題是如何選取合適的單元來(lái)模擬混 凝土結(jié)構(gòu)。人們之所以用ANSY防的Beam單元分析鋼結(jié)構(gòu)并取得了較高的精度, 是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的材質(zhì)比較均勻、連續(xù),力學(xué)性能能用Beam單元來(lái)模擬。然而對(duì)于鋼筋混凝土,人們對(duì)于其力學(xué)性能還未完全掌握。因?yàn)殇摻罨炷劣袖摻?、?泥、水、沙子、石子及各種摻和料或外加劑混合硬化而成的建筑材料,與一般連 續(xù)均勻介質(zhì)力學(xué)中的有限元方法相比,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析還存在
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