基于ansys的半拱磚砌鍋爐結構強度分析

基于ansys的半拱磚砌鍋爐結構強度分析

在計算和分析工程結構時，不能直接使用簡單公式來求解非組件的內(nèi)部結構，或者需要了解結構中的電壓，通常使用有限法來獲得良好的結果。某半圓拱磚砌煙道結構如圖1,上部是半圓拱,下部為固端連接,墻厚370mm,墻高4150mm,拱半徑1250mm,彈性模量2400N/mm2,泊松比0.15,荷載只考慮自重,用M5砂漿砌筑,結構安全等級為二級(結構重要性系數(shù)γ0=1.0)。欲求拱頂下緣、拱肩外緣通縫的失效概率?，F(xiàn)取3m長一段墻,用SOLID45建三維模型,密度按1.9×10-6kg/mm3乘1.35系數(shù)后輸入。1通過分析確定負荷和抗強阻力的平均值和變異系數(shù)1.1結構構件結構的變異性文獻4.1.5規(guī)定,砌體結構按承載力極限狀態(tài)設計時,應按下列公式中最不利組合進行計算:γ0(1.35SGK+1.4∑i=1nψciSQiK)≤R(f,aK,?)(2)γ0(1.35SGΚ+1.4∑i=1nψciSQiΚ)≤R(f,aΚ,?)(2)式中:γ0為結構重要性系數(shù);SGK為永久荷載標準值的效應;SQ1K為在基本組合中起控制作用的一個可變荷載標準值的效應;SQiK為第i個可變荷載標準值的效應;γQi為第i個可變荷載的分項系數(shù);ψci為第i個可變荷載的組合值系數(shù);R(·)為結構構件的抗力函數(shù);f為砌體的強度設計值;aK為幾何參數(shù)標準值。文獻條文說明4.1.5:針對以自重為主的結構構件永久荷載的分項系數(shù)調整為1.35的組合,以改進自重為主構件可靠度偏低的情況。文獻3.2.5規(guī)定,基本組合的荷載分項系數(shù),永久荷載時,當其效應對結構不利時,對由可變荷載效應控制的組合,應取1.2;對由永久荷載效應控制的組合,應取1.35。文獻100當作用變量為正態(tài)分布,標準值取用均值時,分項系數(shù)γf=1+3δf。文獻130,159指出,永久荷載變異性不大,且多為正態(tài)分布,以其概率分布的均值即0.5分位值為標準值。某永久荷載變異系數(shù)0.07,則γf=1+3×0.07=1.21。文獻146建筑荷載的變異系數(shù)為0.08～0.10。結合以上資料,可以由設計值為μ+3σ來確定荷載的均值及標準差。因為荷載只考慮自重,對密度按均值1.9×10-6kg/mm3乘1.35系數(shù)后輸入,即設計值2.565×10-6kg/mm3,代人μ+3σ后得標準差為2.2×10-7kg/mm3。1.2抗壓強度的測定文獻97表B.2.5規(guī)定:砂漿強度等級M5沿通縫的彎曲抗拉強度標準值為0.19MPa,表3.2.2規(guī)定設計值為0.11MPa(GBJ3-88版為0.12MPa)。文獻24,36,38指出砌體沿齒縫截面軸心抗拉、彎曲抗拉和沿通縫的彎曲抗拉、抗剪強度均取決于砂漿強度?！捌鲶w抗壓強度標準值是取抗壓強度平均值fm的概率密度分布函數(shù)0.05的分位值,即fk=fm(1-1.645δf)”?！皩τ诟黝惼鲶w拉、彎、剪強度的變異系數(shù)δf可取為0.2(毛石砌體δf為0.26),這樣,和抗壓強度一樣可得出各類砌體拉、彎、剪的強度標準值和強度設計值?！蔽墨I184.1.5規(guī)定:砌體抗壓強度設計值是強度標準值除以材料分項系數(shù)γf,即f=fk/γf。文獻條文說明4.1.5:砌體結構材料分項系數(shù)γf從原來的1.5提高到1.6。文獻24指出“規(guī)范對于各類砌體彎曲抗拉強度平均值公式統(tǒng)一采用ftm,m=k4f2??√ftm,m=k4f2,對于砌體沿齒縫截面彎曲抗拉強度平均值,k4=0.25;沿通縫截面彎曲抗拉強度平均值則取與抗剪強度一樣的系數(shù),即k4=0.125?！眆2為由標準試驗方法測得的砂漿強度,MPa。文獻22E.06條規(guī)定“取6塊試塊的抗壓強度平均值為代表值f2,MPa;”“砂漿抗壓強度推定值相當于對應的砂漿強度等級?！彼?以M5砂漿為例,f2為5MPa。對M5砂漿磚砌體齒縫彎曲抗拉強度均值:ftm,m=k4f2??√=0.25×5√=0.559MPa(3)ftm,m=k4f2=0.25×5=0.559ΜΡa(3)將ftm,m代入公式::得f=fk/γf=0.375/1.6=0.234MPa(5)f=fk/γf=0.375/1.6=0.234ΜΡa(5)GB50003-2001《磚體結構設計規(guī)范》取0.23MPa。對M5砂漿磚砌體通縫彎曲抗拉強度均值:ftm,m=k4f2??√=0.125×5√=0.2795MPa(6)ftm,m=k4f2=0.125×5=0.2795ΜΡa(6)將ftm,m代入公式:fk=fm(1?1.645δf)=0.2795(1?1.645×0.2)=0.1875(7)fk=fm(1-1.645δf)=0.2795(1-1.645×0.2)=0.1875(7)得f=fk/γf=0.1875/1.6=0.117MPa(8)f=fk/γf=0.1875/1.6=0.117ΜΡa(8)規(guī)范取0.11MPa。GBJ3-88版的設計值為0.12MPa,即f=fk/γf=0.1875/1.5=0.125MPa,規(guī)范取0.12MPa。1.3確定磚密度的不確定性通縫彎曲抗拉強度均值0.28MPa,通縫強度標準差取0.06;齒縫強度均值0.56MPa;齒縫強度標準差取0.11;密度標準差取2.2×10-7kg/mm3;實際上,磚密度的變異很小,采用標準差2.2×10-7kg/mm3,只是為了復核現(xiàn)行規(guī)范的相關規(guī)定,或者認為在1.35倍系數(shù)里還考慮了其它若干不確定性因素。為了比較,另再取1.2系數(shù)的情況計算。對密度按均值1.9×10-6kg/mm3乘1.2系數(shù)后輸入,即設計值2.28×10-6kg/mm3,代入μ+3σ后得標準差為1.127×10-7kg/mm3。因砂漿強度的均值沒變,不影響可靠度分析,所以不比較材料分項系數(shù)γf=1.5與1.6情況下(即通縫設計強度0.11與0.12)的可靠度,只比較荷載系數(shù)的變化影響。2使用ansso金元軟件進行建模，并尋求靜度定值解(1)拱頂下緣水平抗拉能力計算將相關數(shù)據(jù)輸入后,得到圖2和定值解:拱頂下緣水平拉應力X1=0.24595;拱肩外緣豎直拉應力Y1=9.645×10-2;拱頂下緣水平抗拉功能函數(shù)值DET(X)=齒縫設計強度-水平拉應力=-0.01595;拱肩外緣豎直抗拉功能函數(shù)值DET(Y)=通縫設計強度-豎直拉應力=1.35496×10-2。(2)拱頂下緣水平抗拉功能函數(shù)得到定值解:拱頂下緣水平拉應力X1=0.2186;拱肩外緣豎直拉應力Y1=8.57×10-2;拱頂下緣水平抗拉功能函數(shù)值DET(X)=1.138×10-2;拱肩外緣豎直抗拉功能函數(shù)值DET(Y)=3.43×10-2;若取通縫設計值為0.11,則拱肩外緣豎直拉應力功能函數(shù)值DET(Y)=2.856×10-2。3通縫設計值與荷載的關系因為概率分析主要涉及到均值和標準差,材料的通縫設計值取0.11與取0.12只對定值解有關系,不影響概率分析,所以下面僅對荷載采用系數(shù)1.35,1.2,1.0三種情況分析。3.1密度標準差取定義輸入變量:先輸入荷載的均值,如密度取DENS=1.9×10-6,密度標準差取2.2×10-7;如通縫強度均值TF=0.28,通縫強度標準差取0.06;齒縫強度均值CF=0.56,齒縫強度標準差取0.11。見圖3～5。拱肩建立功能密度拱頂下緣抗拉功能函數(shù)概率密度見圖6,最小值為-0.04887,拱頂下緣失效概率(水平方向)2.956×10-4[下界3.96×10-5,上界1.04×10-3]。拱肩外緣抗拉功能函數(shù)概率密度見圖7,最小值為-0.05,拱肩外緣通縫失效概率(豎直方向)3.2344×10-4[下界4.58×10-5,上界1.09×10-3]。拱頂下緣拉應力的最大值為0.26,均值為0.18,標準差為0.021,見圖8拱頂下緣水平拉應力概率函數(shù)密度圖。拱肩外緣拉應力的最大值為0.102,均值為0.0714,標準差為0.0083,見圖10拱肩外緣豎直拉應力概率函數(shù)密度圖。3.2齒縫強度標準值定義輸入變量:先輸入荷載的均值,密度取DENS=1.9×10-6,密度標準值取1.127×10-7;通縫強度均值:TF=0.28,通縫強度標準值取0.06;齒縫強度均值:CF=0.56,齒縫強度標準值取0.11。在模擬計算5000次后的結果如下:拱頂下緣拉應力的最大值為0.22,均值為0.18,標準差為0.011。拱肩外緣拉應力的最大值為0.087,均值為0.071,標準差為0.0042。由拱頂下緣抗拉功能函數(shù)概率密度圖得知,最小值-0.021。拱頂下緣失效概率(水平方向拉應力失效概率):3.38486×10-4[下界4.95×10-5,上界1.12×10-3]。由拱肩外緣抗拉功能函數(shù)概率密度圖得知,最小值-0.0015。拱肩外緣失效概率(豎直方向拉應力失效概率)2.165×10-4[下界2.22×10-5,上界8.86×10-4]。3.3比較的對象為了便于比較,強度與應力的概率密度函數(shù)圖及概率分布函數(shù)圖如圖8～11所示。(1)拱頂下緣水平應力從圖8,9看,齒縫強度值與齒縫應力值在0.25附近才會交叉。這與±3σ原則相符,如齒縫強度值有0.56-3×0.11=0.23,齒縫應力值有0.18+3×0.021=0.243,上述計算均小于拱頂下緣水平拉應力定值X1=0.24595。(2)系數(shù)1.2略4付款時拱頂下緣失效概率從定值計算知道,在荷載系數(shù)1.35時,拱頂下緣水平抗拉功能函數(shù)值=齒縫設計強度-水平拉應力=-0.01595MPa;從ANSYS軟件計算知道,在荷載系數(shù)1.35時,拱頂下緣水平抗拉功能函數(shù)值的失效概率見圖6。最小值為-0.04887,拱頂下緣失效概率(水平方向)2.956×10-4[下界3.96×10-5,上界1.04×10-3]。小于規(guī)范33,116規(guī)定的可靠指標β=3.2對應的失效概率6.9×10-4。其下界3.96×10-5小于β=3.7對應的失效概率1.1×10-4。滿足33.116規(guī)范要求由MATLAB畫的圖8,9知道,在荷載系數(shù)1.35時,拱頂下緣水平拉應力與砂漿齒縫強度之間交集非常小。拱肩建立目標函數(shù)從定值計算知道,在荷載系數(shù)1.35時,拱肩外緣豎直抗拉功能函數(shù)值DET(Y)=通縫設計強度-豎直拉應力=1.35496×10-2。從ANSYS軟件計算知道,在荷載系數(shù)1.35時,拱肩外緣功能函數(shù)概率密度見圖7,最小值為-0.05,拱肩外緣通縫失效概率(豎直方向)3.2344×1