ANSYS在國家體育場設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-05-03  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

ANSYS在國家體育場設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

范學(xué)偉 范 重 劉先明 彭 翼
中國建筑設(shè)計(jì)研究院,北京100044

[ 摘 要 ]  ANSYS軟件是國際知名的大型通用有限元軟件,在航空、航天、汽車、機(jī)械、土木、電子等多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有較廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了ANSYS在國家體育場設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力分析和節(jié)點(diǎn)有限元分析表明,ANSYS在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中可以發(fā)揮重大作用,用戶可以通過其開放的有限元平臺(tái)單獨(dú)開發(fā)行業(yè)模塊,解決工程中的特殊復(fù)雜問題。

1 引言

國家體育場位于北京市中軸線東側(cè),成府路南側(cè),奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)。國家體育場是2008年第29屆奧運(yùn)會(huì)的主體育場,承擔(dān)奧運(yùn)會(huì)開、閉幕式與田徑比賽,總建筑面積約為25萬m2。建筑的設(shè)計(jì)使用年限為100年,其“鳥巢”結(jié)構(gòu)將成為北京市的重要標(biāo)志性建筑。該建筑地面以上平面呈橢圓型,長軸為332.3m,短軸為296.4m。主體結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土看臺(tái)與帶有可開合屋蓋的大跨度鋼屋蓋兩部分構(gòu)成。屋蓋的主結(jié)構(gòu)由48榀桁架與中間環(huán)梁構(gòu)成,支承在周邊24根組合柱之上。屋蓋的頂面呈鞍形,最高點(diǎn)高度為68.5m,最低點(diǎn)高度為42.8m。主桁架圍繞屋蓋中部的環(huán)梁放射形布置,與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型,主場看臺(tái)部分采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算程序的選擇

在初步設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員詳細(xì)研究了各種軟件的功能及優(yōu)缺點(diǎn),最終通過比較決定采用ANSYS軟件。因?yàn)槭紫華NSYS有豐富的單元庫,土木工程中常用的梁板殼都有成熟的單元可以選取。其次ANSYS具有節(jié)點(diǎn)耦合和設(shè)置剛域功能,可以模擬計(jì)算模型中一些構(gòu)件之間的相互關(guān)系。ANSYS還具有單元的生死功能,通過設(shè)置單元的生死達(dá)到模擬結(jié)構(gòu)施工過程的目的。最讓設(shè)計(jì)人員欣賞的是,ANSYS是個(gè)開放的有限元平臺(tái),提供了APDL,UIDL等開發(fā)工具,可以讓用戶自己開發(fā)專業(yè)模塊。計(jì)算對(duì)比程序采用Sap2000。

2.2 結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容

2.2.1 計(jì)算模型及假定

1)整體模型中所有構(gòu)件都采用ANSYS中beam4單元。
2)曲梁和弧梁用多段直線梁單元模擬。

2.2.2 靜力分析

結(jié)構(gòu)的主要荷載包括:恒荷載、活荷載,雪荷載、風(fēng)荷載、溫度作用。其中恒荷載含結(jié)構(gòu)自重、吊頂、水槽和馬道設(shè)備等等,活荷載由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2001)不上人屋蓋確定,雪荷載由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2001)取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年雪壓,風(fēng)荷載采用風(fēng)洞報(bào)告數(shù)據(jù),溫度作用根據(jù)北京市近30年的氣候統(tǒng)計(jì)資料確定。建筑物安全等級(jí)為一級(jí),重要性系數(shù)取1.1,分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2001)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)選取,。

2.2.3 抗震分析

結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。工程場地為III類。地震分析采用振型分解反應(yīng)譜法,地震作用效應(yīng)采用CQC法。整體模型取振型120個(gè),表1為前30振型的頻率與周期。圖2為其主振型圖。

2.2.4 加肋構(gòu)件的有限元分析

在“鳥巢”結(jié)構(gòu)的固定屋蓋中,主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)及組合柱均采用焊接箱形截面,桿件之間均采用焊接連接。為了滿足建筑造型要求,構(gòu)件外形尺寸受到較大限制。主桁架弦桿寬度均為1200mm,高度為800mm~1200mm,次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的寬度均為1200mm,在屋面處的高度為800~1000mm,立面處的高度為1200mm。

國家體育場“鳥巢”結(jié)構(gòu)造型特殊、屋蓋結(jié)構(gòu)跨度巨大,鋼結(jié)構(gòu)自重在構(gòu)件內(nèi)力中所占比重很大。由于鋼結(jié)構(gòu)直接暴露于室外,溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形。對(duì)于這種特殊的結(jié)構(gòu)體系來說,保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用時(shí)的安全性至關(guān)重要。因此,減少用鋼量不但對(duì)節(jié)約投資、控制造價(jià)有直接的益處,同時(shí)對(duì)于減小地震與溫度作用、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性也具有十分重大的意義。

在國家體育場設(shè)計(jì)過程中,為了減輕結(jié)構(gòu)的自重,對(duì)于受力較小的次結(jié)構(gòu)構(gòu)件,有兩種設(shè)計(jì)方案,一種是采用格構(gòu)式構(gòu)件加外覆裝飾性薄鋼板的做法。另外一種是考慮在箱型截面構(gòu)件內(nèi)部采用設(shè)置橫向和縱向加勁肋的辦法。因此設(shè)計(jì)人員專門研究了加肋構(gòu)件和非加肋構(gòu)件的承載力。以Q345鋼材的焊接箱形構(gòu)件□1000×1200×8×8為例,構(gòu)件計(jì)算長度取L=20.0m,研究了不加肋、加一道縱肋和兩道縱肋時(shí)構(gòu)件的承載力,如圖3所示。研究結(jié)果表明,設(shè)置加勁肋對(duì)于延遲薄壁箱形構(gòu)件發(fā)生局部屈曲、提高構(gòu)件承載力、減小用鋼量具有很大的作用。設(shè)置加勁肋后,薄壁箱形構(gòu)件的實(shí)際軸壓比提高,雖然在達(dá)到極限承載力后還可以維持一定的承載力,但延性有所減弱。圖4為箱形薄壁構(gòu)件屈曲時(shí)塑性區(qū)發(fā)展情況。

2.2.5 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的有限元分析

由于國家體育場的體型十分復(fù)雜,模型中很多部位出現(xiàn)大量桿件匯交的情況,這時(shí)必須對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析才能判斷節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的有效性。為此設(shè)計(jì)人員專門制定了節(jié)點(diǎn)有限元設(shè)計(jì)的技術(shù)條件。節(jié)點(diǎn)分析的一般流程為:

在實(shí)體模型的有限元分析工作中,正確施加載荷及邊界條件是取得合理結(jié)果的關(guān)鍵之一。理論上,這些局部構(gòu)造承受的載荷是作用于對(duì)應(yīng)桿件上的所有內(nèi)力,所以將所對(duì)應(yīng)桿件截面上的軸力、彎矩等當(dāng)成載荷加到所取截面上或?qū)⒃摻孛嬖谡w分析中產(chǎn)生的變形當(dāng)成約束條件施加應(yīng)當(dāng)是最精確的辦法。在整體模型分析中,只是每個(gè)單元的兩端節(jié)點(diǎn)上有解。ANSYS實(shí)體模型由于網(wǎng)格劃分,每個(gè)截面往往要被分成很多份,因此面臨著如何將整體模型的內(nèi)力等效加在ANSYS實(shí)體模型上的問題,中國建筑設(shè)計(jì)研究院的設(shè)計(jì)人員在實(shí)體模型截面形心處建立節(jié)點(diǎn),利用ANSYS的耦合功能將截面上節(jié)點(diǎn)自由度與截面形心節(jié)點(diǎn)自由度耦合起來,再將載荷加到形心節(jié)點(diǎn)上。這樣可以模擬平截面假設(shè)。對(duì)于實(shí)體模型的桿件截取長度,一般不會(huì)超過桿件截面尺度的3~4倍,一個(gè)總的原則是要符合圣維南原理。即簡化邊界不能對(duì)關(guān)心區(qū)域的結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。因此設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要靈活把握。圖5為一個(gè)典型的柱頂復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖。

3 二次開發(fā)技術(shù)

由于ANSYS軟件只是一個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件,缺乏對(duì)行業(yè)規(guī)范的必要支持。為此中國建筑設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)技術(shù)開發(fā)部開發(fā)了ANSYS空間結(jié)構(gòu)的專門設(shè)計(jì)模塊—CAG DESIGN。CAG DESIGN是主要針對(duì)空間結(jié)構(gòu)開發(fā)的。為了對(duì)開發(fā)的模塊質(zhì)量把關(guān),成立了專門的開發(fā)小組。制訂了軟件開發(fā)的技術(shù)條件,規(guī)定了程序應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。與ANSYS的前后處理相對(duì)應(yīng),CAG DESIGN主要分為三部分,即前處理模塊CAGPREP7,計(jì)算求解模塊CAGSOLU和后處理模塊CAGPOST。前處理模塊CAGPREP7的主要功能是:設(shè)置CAG DESIGN的初始環(huán)境,ANSYS與AutoCAD的數(shù)據(jù)交換接口,常用截面的實(shí)常數(shù)計(jì)算模塊。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),主要選取了常用的梁單元,桿單元和索單元。計(jì)算求解模塊CAGSOLU的功能主要是定義單工況荷載,如恒荷載,雪荷載,風(fēng)荷載,溫度作用。這些荷載可以是單元荷載,也可以是節(jié)點(diǎn)荷載。為了與其他程序?qū)Ρ?預(yù)留了接口。在國家體育場的設(shè)計(jì)中,為了解決加載復(fù)雜的問題,設(shè)計(jì)人員先在MST中加載,然后在轉(zhuǎn)換到ANSYS模型中。CAGSOLU根據(jù)工程的需要可以根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。地震響應(yīng)包括小震和中震。后處理模塊CAGPOST主要用于工況組合和截面的計(jì)算,計(jì)算后的結(jié)果可以以圖形的形式在ANSYS圖形界面上顯示各個(gè)桿件的應(yīng)力分布。與此相配套開發(fā)了Excel接口文件,用來調(diào)整模型截面,對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

4 小結(jié)

ANSYS作為大型通用有限元軟件,在國家體育場設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。此軟件經(jīng)過大量的測試,計(jì)算的精度和穩(wěn)定性都有保證。用戶可以直接通過ANSYS的開放系統(tǒng),開發(fā)自己定制的模塊,不必花費(fèi)大量精力對(duì)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行維護(hù)。中國建筑設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)技術(shù)開發(fā)部正在為ANSYS軟件配套開發(fā)空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的專用模塊,為建筑設(shè)計(jì)提供有強(qiáng)有力的工具。

[參考文獻(xiàn)]

[1]  Ansys 公司, APDL使用指南。
[2]  Ansys 公司, UIDL PROGRAMMER’S GUIDE。
[3]  范重  范學(xué)偉  劉先明  劉巖 加肋薄壁箱形構(gòu)件在國家體育場大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 第四屆現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集。 2004年7月,浙江寧波。

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