基于ansys的大跨度石屋頂空間結(jié)構(gòu)三維有限元分析

基于ansys的大跨度石屋頂空間結(jié)構(gòu)三維有限元分析

1頂格頂模模擬該項(xiàng)目是一座新建的佛教寺廟（圖1）。建筑底部（0.0mm高度以下）采用花崗巖磚結(jié)構(gòu)，頂部為三層古建筑風(fēng)格結(jié)構(gòu)大廳。主要支撐結(jié)構(gòu)為圓形花崗巖板巖球形屋頂結(jié)構(gòu)，屋頂長(zhǎng)17200mm，矢高42200mm，屋頂厚度800mm。傳統(tǒng)的計(jì)算理論很難計(jì)算屋頂?shù)淖冃魏蛪毫ΑＲ虼?，在這項(xiàng)工作中，我們使用了大型有限軟件an-sys模擬整個(gè)屋頂結(jié)構(gòu)，正確把握結(jié)構(gòu)的變形，并利用豐富的圖形顯示軟件對(duì)計(jì)算得到的大量數(shù)字信息進(jìn)行可視化。2數(shù)值模擬計(jì)算模型建立的原則大跨度石穹頂結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬首先需要建立準(zhǔn)確的穹頂空間有限單元模型.在數(shù)值模擬計(jì)算模型的建立過程中要考慮如下主要原則:(1)結(jié)構(gòu)形狀和幾何尺寸的準(zhǔn)確模擬;(2)材料特性的準(zhǔn)確模擬;(3)荷載作用的準(zhǔn)確模擬;(4)全部最不利狀態(tài)的考慮.2.1混凝土砌體材料文指出對(duì)于形狀較大、修琢良好并且用比較薄的灰縫砌筑的天然石料砌體,其抗壓強(qiáng)度與石料本身的強(qiáng)度很接近.對(duì)重型石料砌體可以允許使用超出規(guī)范規(guī)定的最大工作應(yīng)力,但前提是石料的力學(xué)性能良好且具備良好的施工工藝.該工程采用無墊片砌筑技術(shù),灰縫采用傳統(tǒng)的特殊工藝.結(jié)合福建泉州石結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以來積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)資料,花崗巖細(xì)料石砌體材料的抗壓強(qiáng)度f、彎曲抗拉強(qiáng)度ftm、單軸抗拉強(qiáng)度ft和彈性模量E等參數(shù),按表1取值.2.2結(jié)構(gòu)荷載傳遞考慮到該建筑的文化影響以及業(yè)主的要求,將該結(jié)構(gòu)按100a使用年限設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)取為γ0=1.1.同時(shí)考慮到該建筑常年有大型宗教活動(dòng)、人員聚集和旅游參觀,根據(jù)《GB50009-2002建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,大跨度石穹頂空間結(jié)構(gòu)上部均布活荷載按4.0kPa取值,恒載考慮石穹頂結(jié)構(gòu)自重和施工階段的堆料.同時(shí)結(jié)構(gòu)上部木結(jié)構(gòu)殿堂的荷載(包括恒荷載和活荷載)均由柱子直接傳遞到石穹頂結(jié)構(gòu),并傳遞到基礎(chǔ).保證結(jié)構(gòu)承載能力的可靠度,按照《GB50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明的5.3.4節(jié),對(duì)恒荷載和活荷載設(shè)計(jì)值均乘以1.9的放大系數(shù).3anyss模型的構(gòu)建3.1巖石結(jié)構(gòu)單元采用ANSYS程序單元庫中的Solid65單元.以考慮巖石材料的非線性性質(zhì),諸如巖石的開裂、壓碎.由于本空間結(jié)構(gòu)為球形穹頂,Solid65單元均退化為四面體單元.3.2dp材料模型為考慮巖石砌體的抗拉、抗壓強(qiáng)度不同,采用Drucker-Prager(DP)材料模型對(duì)巖石砌體進(jìn)行模擬.對(duì)DP材料,其受壓時(shí)的屈服強(qiáng)度大于受拉時(shí)的屈服強(qiáng)度.根據(jù)以下公式,可以得到DP材料需要輸入的粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ分別為其中β和σy由受壓強(qiáng)度f和受拉強(qiáng)度ft求得,可根據(jù)以下公式計(jì)算.即3.3數(shù)值模型的建立根據(jù)對(duì)稱性原理建立石穹頂結(jié)構(gòu)1/2模型并對(duì)進(jìn)行數(shù)值模擬.模型采用“自上至下”的建模方法,即首先建立各個(gè)塊體,然后采用ANSYS程序布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)各個(gè)塊體的拼接.根據(jù)石穹頂結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),本文分別建立施工階段、整體受力階段和最不利受力狀態(tài)的3種不利情況的模型,并分別進(jìn)行數(shù)值模擬.4不同的壓力損失模型4.1/2階段石頂施工階段在整體結(jié)構(gòu)未全部形成之前,球殼已經(jīng)形成.此時(shí)球殼作為主要的承重結(jié)構(gòu),承受周圍堆料及施工人員的全部重量.該階段雖未曾考慮上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載,較實(shí)用階段的荷載值小,但是由于沒有周圍砌體對(duì)穹頂約束的有利作用,施工階段也可能是一種不利狀態(tài).考慮結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)、對(duì)稱荷載及對(duì)稱施工,因此取原型的1/2為計(jì)算模型.不考慮石穹頂周圍砌體的作用,穹頂表面荷載按照完全堆料考慮(偏于保守).4.2建立整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型整體受力階段是指當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)完全竣工并投入使用后的極限狀態(tài)驗(yàn)算.此時(shí)由上部木結(jié)構(gòu)傳遞的荷載作用到穹頂?shù)母鱾€(gè)承重柱,按照實(shí)際受力情況可以建立相應(yīng)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型.根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,取原型結(jié)構(gòu)的1/2建立模型.在整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中,將石穹頂和周圍砌體考慮成具有良好的整體連接.這與實(shí)際情況相比將周圍砌體對(duì)穹頂約束產(chǎn)生的有利作用考慮過多,稍偏于不安全.但是,前文在材料強(qiáng)度取值時(shí)已進(jìn)行了相應(yīng)強(qiáng)度折減,因此計(jì)算結(jié)果仍可用于實(shí)際的設(shè)計(jì).4.3-2結(jié)構(gòu)體系的最不利分析穹頂?shù)淖畈焕芰η闆r是指將球殼周圍的巖石砌體與球殼考慮為完全不連接,周圍巖石砌體僅作為填充層將其自身自重荷載和上部柱子承受荷載傳遞到穹頂,并且柱子直接連接到穹頂?shù)钠矫鎸?duì)應(yīng)位置.根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,取原型結(jié)構(gòu)的1/2建立模型.由于完全不考慮周圍砌體的有利約束作用,這種情況相對(duì)實(shí)際的球殼受力情況較為保守.同時(shí)柱子直接位于穹頂上,無法考慮柱子底座對(duì)荷載傳遞擴(kuò)散的有利作用.因此,此階段僅作為最不利受力情況分析計(jì)算,以考察結(jié)構(gòu)在最危險(xiǎn)狀態(tài)下的安全性.5結(jié)論分析對(duì)上述3個(gè)不利階段對(duì)應(yīng)模型的受力性能進(jìn)行了全面計(jì)算分析,同時(shí)對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)的各個(gè)關(guān)鍵部位(柱腳、穹頂頂面和穹頂邊梁)的進(jìn)行了局部分析.5.1結(jié)構(gòu)變形分析圖2為施工階段模型的應(yīng)力等勢(shì)圖,豎向(Y方向)最大變形為0.425mm,橫向(X,Z方向)最大變形為0.134mm,變形都很小,這符合石結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).圖中豎向(Y方向)最大壓應(yīng)力為8.833MPa,橫向(X,Z方向)最大拉應(yīng)力為0.742MPa.5.2豎向x,z方向應(yīng)力應(yīng)變圖3為整體受力階段模型的應(yīng)力等勢(shì)圖,豎向(Y方向)最大變形為0.682mm,橫向(X,Z方向)最大變形為0.220mm,變形都很小.圖中豎向(Y方向)最大壓應(yīng)力為6.56MPa,橫向(X,Z方向)最大拉應(yīng)力為0.636MPa.5.3石頂結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖4為最不利受力階段模型的應(yīng)力等勢(shì)圖,豎向(Y方向)最大變形為0.992mm,橫向(X,Z方向)最大變形為0.240mm,變形都很小.圖中豎向(Y方向)最大壓應(yīng)力為11.553MPa,橫向(X,Z方向)最大拉應(yīng)力為0.829MPa.從圖2～4的計(jì)算結(jié)果可以看出,在3個(gè)不同受力階段石穹頂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均能夠滿足要求,而且變形很小.結(jié)構(gòu)中較大的壓應(yīng)力主要產(chǎn)生在柱腳及其周圍,結(jié)構(gòu)其他部位的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力值均較小.在整體受力階段和最不利受力階段中由于上部木結(jié)構(gòu)的局部抽柱,導(dǎo)致變形的不對(duì)稱并產(chǎn)生附加的拉應(yīng)力,在設(shè)計(jì)中盡量避免.6利受力階段石頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制要點(diǎn)ANSYS數(shù)值模擬技術(shù)可以很直觀的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力分析,為石拱穹頂?shù)葟?fù)雜空間結(jié)構(gòu)的受力性能分析提供有力幫助.根據(jù)對(duì)大跨度石拱穹頂空間結(jié)構(gòu)的在施工階段、整體受力階段和最不利受力階段3個(gè)階段的ANSYS數(shù)值模擬,并進(jìn)行結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn),在構(gòu)造措施能夠得到保證的前提下,施工階段、整體受力階段和最不利受力階段石穹頂空間結(jié)構(gòu)均能滿足強(qiáng)度要求.因此在該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,最重要的是控制材料性能和料石石塊之間的相互連接作用,即石砌體結(jié)構(gòu)的施工工藝和施工技術(shù)、構(gòu)造方法以及特殊工藝.同時(shí)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果的分析,對(duì)原方案提出幾點(diǎn)建議.(1)球形穹頂與圓柱形墻體連接處是關(guān)鍵部位,應(yīng)采取加強(qiáng)措施,保證均勻過渡,對(duì)穹頂?shù)墓白凸澳_進(jìn)行設(shè)計(jì)校核和嚴(yán)格的施工控制.(2)應(yīng)采用對(duì)稱施工,嚴(yán)格控制施工順序和施工荷載,盡量避免不對(duì)稱施工和堆料,以保證結(jié)構(gòu)的受力合理和傳力路線明確.(3)計(jì)算中石穹頂結(jié)構(gòu)按照細(xì)料石無墊片砌體考慮,砌體強(qiáng)度和材料性能均按有關(guān)規(guī)程和資料取值.在實(shí)際工程中須進(jìn)