幕墙横梁、立柱ANSYS计算方法

基本参数：

1：计算点标高：100m；

2：横梁跨度：B=1100mm；

3：横梁上分格高：1380mm；横梁下分格高：1380mm；

4：横梁计算间距(指横梁上下分格平均高度)：H=1380mm；

5：力学模型：三角荷载简支梁；

6：板块配置：石材；

7：横梁材质：Q235；

因为B≤H，所以本处幕墙横梁按三角形荷载简支梁力学模型进行设计计算，受力模型如下：

1横梁型材选材计算：

(1)横梁在风荷载作用下的线荷载集度(按三角形分布)：

qwk：风荷载线分布最大荷载集度标准值(N/mm)；

wk：风荷载标准值(MPa)；

B：横梁跨度(mm)；

qwk=wkB

=0001468×1100

=1615N/mm

qw：风荷载线分布最大荷载集度设计值(N/mm)；

qw=14qwk

=14×1615

=2261N/mm

(2)垂直于幕墙平面的分布水平地震作用的线荷载集度(按三角形分布)：

qEAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用(MPa)；

βE：动力放大系数,取50；

αmax：水平地震影响系数最大值，取016；

Gk：幕墙构件的重力荷载标准值(N)，(主要指面板组件)；

A：幕墙平面面积(mm2)；

qEAk=βEαmaxGk/A ……534[JGJ102-2003]

=50×016×0001

=00008MPa

qEk：横梁受水平地震作用线荷载集度标准值(N/mm)；

B：横梁跨度(mm)；

qEk=qEAkB

=00008×1100

=088N/mm

qE：横梁受水平地震作用线荷载集度设计值(N/mm)；

qE=13qEk

=13×088

=1144N/mm

(3)幕墙横梁受荷载集度组合：

用于强度计算时，采用Sw+05SE设计值组合：……541[JGJ102-2003]

q=qw+05qE

=2261+05×1144

=2833N/mm

用于挠度计算时，采用Sw标准值：……541[JGJ102-2003]

qk=qwk

=1615N/mm

(4)横梁在风荷载及地震组合作用下的弯矩值(按三角形分布)：

My：横梁受风荷载及地震作用弯矩组合设计值(N·mm)；

Mw：风荷载作用下横梁产生的弯矩(N·mm)；

ME：地震作用下横梁产生的弯矩(N·mm)；

B：横梁跨度(mm)；

Mw=qwB2/12

ME=qEB2/12

采用Sw+05SE组合：

My=Mw+05ME

=qB2/12

=2833×11002/12

=285660833N·mm

(5)横梁在自重荷载作用下的弯矩值(按矩形分布)：

Gk：横梁自重线荷载标准值(N/mm)；

H：横梁计算间距(mm)；

Gk=0001×H

=0001×1380

=138N/mm

G：横梁自重线荷载设计值(N/mm)；

G=12Gk

=12×138

=1656N/mm

Mx：横梁在自重荷载作用下的弯矩设计值(N·mm)；

B：横梁跨度(mm)；

Mx=GB2/8

=1656×11002/8

=250470N·mm

2确定材料的截面参数：

(1)横梁抵抗矩预选：

Wnx：绕X轴横梁净截面抵抗矩预选值(mm3)；

Wny：绕Y轴横梁净截面抵抗矩预选值(mm3)；

Mx：横梁在自重荷载作用下的弯矩设计值(N·mm)；

My：风荷载及地震作用弯矩组合设计值(N·mm)；

γ：塑性发展系数：取105；

fs：型材抗弯强度设计值(MPa)，对Q235取215；

按下面公式计算：

Wnx=Mx/γfs

=250470/105/215

=1109502mm3

Wny=My/γfs

=285660833/105/215

=1265386mm3

(2)横梁惯性矩预选：

df,lim：按规范要求，横梁的挠度限值(mm)；

B：横梁跨度(mm)；

B/250=1100/250=44mm

取：

df,lim=44mm

qk：风荷载作用线荷载集度标准值(N/mm)；

E：型材的弹性模量(MPa)，对Q235取206000MPa；

Iymin：绕Y轴最小惯性矩(mm4)；

B：横梁跨度(mm)；

df,lim=qkB4/120EIymin……(受风荷载与地震作用的挠度计算)

Iymin=qkB4/120Edf,lim

=1615×11004/120/206000/44

=21739128mm4

Ixmin：绕X轴最小惯性矩(mm4)；

Gk：横梁自重线荷载标准值(N/mm)；

df,lim=5GkB4/384EIxmin……(自重作用下产生的挠度计算)

Ixmin=5GkB4/384Edf,lim

=5×138×11004/384/206000/44

=29024765mm4

3选用横梁型材的截面特性：

按照上面的预选结果选取型材：

选用型材号：40/60系列

型材抗弯强度设计值：215MPa

型材抗剪强度设计值：125MPa

型材弹性模量：E=206000MPa

绕X轴惯性矩：Ix=115810mm4

绕Y轴惯性矩：Iy=123650mm4

绕X轴净截面抵抗矩：Wnx1=4100mm3

绕X轴净截面抵抗矩：Wnx2=3662mm3

绕Y轴净截面抵抗矩：：Wny1=5763mm3

绕Y轴净截面抵抗矩：：Wny2=6639mm3

型材净截面面积：An=4493mm2

型材线密度：γg=003527N/mm

横梁与立柱连接时角片与横梁连接处横梁壁厚：t=3mm

横梁截面垂直于X轴腹板的截面总宽度：tx=5mm

横梁截面垂直于Y轴腹板的截面总宽度：ty=3mm

型材受力面对中性轴的面积矩(绕X轴)：Sx=2994mm3

型材受力面对中性轴的面积矩(绕Y轴)：Sy=3546mm3

塑性发展系数：γ=105

可以试着自定义截面。这样可以导入真实截面。但是会占用较大内存。首先在cad里，把要的截面做成面，然后导出sat文件；然后新开ansys，点file 里面有个import导入sat文件；在beam截面定义处，有个custom section,里面有write from area，可以定义截面。然后再从里面read section 就可以使用这个截面了。

具体参考ls-dyna用户手册和ansys帮助

ansys对应的lsdyna如下：

ANSYS Command Corresponding LS-DYNA Command

EDADAPT PART

EDALE CONTROL_ALE

EDASMP SET_PART_LIST

EDBOUND BOUNDARY_SLIDING_PLANE BOUNDARY_CYCLIC

EDBVIS CONTROL_BULK_VISCOSITY

EDBX DEFINE_BOX

EDCADAPT CONTROL_ADAPTIVE

EDCGEN CONTACT

EDCMORE CONTACT

EDCNSTR CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET

CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY

CONSTRAINED_SHELL_TO_SOLID

CONSTRAINED_RIVET

EDCONTACT CONTROL_CONTACT

EDCPU CONTROL_CPU

EDCRB CONSTRAINED_RIGID_BODIES

EDCSC CONTROL_SUBCYCLE

EDCTS CONTROL_TIMESTEP

EDCURVE DEFINE_CURVE

EDDAMP DAMPING_PART_MASS DAMPING_PART_STIFFNESS

EDDC DELETE_CONTACT

EDDRELAX CONTROL_DYNAMIC_RELAXATION

EDDUMP DATABASE_BINARY_D3DUMP

EDENERGY CONTROL_ENERGY

EDGCALE CONTROL_ALE

EDHGLS CONTROL_HOURGLASS

EDHIST DATABASE_HISTORY_NODE DATABASE_HISTORY

EDHTIME DATABASE

DATABASE_BINARY_D3THDT

EDINT INTEGRATION_BEAM

INTEGRATION_SHELL

EDIPART PART_INERTIA

EDIS STRESS_INITIALIZATION

STRESS_INITIALIZATION_DISCRETE

EDLCS DEFINE_COORDINATE_VECTOR

DEFINE_COORDINATE_SYSTEM

DEFINE_VECTOR

EDLOAD, , (FX, FY, FZ, MX, MY, MZ) LOAD_NODE_SET

EDLOAD, , (UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ, VX, VY, VZ, AX, AY, AZ) BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET

EDLOAD, , (ACLX, ACLY, ACLZ, OMGX, OMGY, OMGZ) LOAD_BODY_GENERALIZED

EDLOAD, ,TEMP LOAD_THERMAL_VARIABLE

EDLOAD, , PRESS LOAD_SEGMENT

LOAD_SEGMENT_SET

LOAD_SHELL_SET

EDLOAD, , (RBUX, RBUY, RBUZ, +RBRX, RBRY, RBRZ, RBVX, RBVY, RBVZ,RBOX, RBOY, RBOZ) BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID

EDLOAD, , (RBFX, RBFY, RBFZ, RBMX, RBMY, RBMZ) LOAD_RIGID_BODY

EDMP,HGLS HOURGLASS

EDNB BOUNDARY_NON_REFLECTING

EDNROT BOUNDARY_SPC_SET

EDOPT DATABASE_FORMAT

EDOUT DATABASE_OPTION

EDPART PART

EDPVEL SET_NODE

INITIAL_VELOCITY

INITIAL_VELOCITY_GENERATION

CHANGE_VELOCITY

CHANGE_VELOCITY_ZERO

EDRC RIGID_DEFORMABLE_CONTROL

EDRD DEFORMABLE_TO_RIGID

RIGID_DEFORMABLE_D2R

RIGID_DEFORMABLE_R2D

EDRI DEFORMABLE_TO_RIGID_INERTIA

EDRST DATABASE_BINARY_D3PLOT

EDSHELL CONTROL_SHELL

EDSP CHANGE_SMALL_PENETRATION

EDSTART r = d3dumpnn lsdyna command line option

EDTERM TERMINATION_NODE

TERMINATION_BODY

EDVEL SET_NODE

INITIAL_VELOCITY

INITIAL_VELOCITY_GENERATION

CHANGE_VELOCITY

CHANGE_VELOCITY_ZERO

EDWELD CONSTRAINED_SPOTWELD

CONSTRAINED_GENERALIZED_WELD_SPOT

BFUNIF or TUNIF LOAD_THERMAL_CONSTANT

LDREAD LOAD_THERMAL_CONSTANT_NODE

REXPORT m = drelax lsdyna command line option

ANSYS预应力施加方法在工程分析中的应用

1 ANSYS在土木工程中的应用

ANSYS软件作为一个大型通用有限元分析软件，现已成为土木建筑行业CAE仿真软件的主流。ANSYS在钢结构和钢筋混凝土建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑分析等工程中得到了广泛的应用，可以对这些结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案，为土木工程师提供了强大而且全方面的分析手段。ANSYS在中国的很多大型土木工程中都得到了应用，如上海的金贸大厦、国家大剧院、佛山世纪莲体育中心、上海科技馆太空城、广州体育馆、黄河下游特大型公路斜拉桥等都利用了ANSYS软件进行有限元仿真分析。

2 ANSYS中预应力拉索的处理

ANSYS中的link10单元是空间三维杆单元，每个节点有三个自由度X，Y，Z。没有弯曲刚度，但有应力刚化和大变形能力。可通过输入参数项里的option 选项控制杆单元只受拉或只受压，很适合模拟索单元(只受拉)或模板支撑(只受压)。虽然在模拟拉索的时候可以用给拉索施加初始应变的方法来对拉索施加预应力，但经计算后发现，拉索的预应力值不是人们所预想的而是比计划的预应力小，这是由于给结构施加预应力后结构变形产生了预应力变化而导致的，要避免这种情况，真实地模拟实际的状态，利用ANSYS中单元死活的方法会比较好的解决这个问题。

在ANSYS中,“杀死”一个单元并不是将一个单元移除，而是把刚度、质量和单元荷载设为一个相当小的数值，这样所产生的效果就是移除这个单元时所得到的计算结果。当单元被激活时，它的刚度、质量和单元荷载返回原始值，但没有应变历史的记录。然而，以实常数形式定义的初应变则不受单元死活选项的影响，当大变形效应开关打开时(NLGEOM，ON)，为了与当前的节点位置相匹配，单元的形状被改变。这样，可利用hnk10单元的初应变选项和死活单元的特性来实现索力的初始张拉力和索力的调整。具体过程如图1所示。

31 工程简介

广州体育馆屋盖为大跨度空间析架十交叉支撑拉索轻型钢结构，其主场馆跨度为160mx110m。屋架构件由钢支座、纵向主析架、辐射析架、周边箱形水平钢环梁、钢擦条及支撑拉索组成，辐射析架上端与主析架闭合框焊接，下端用端板与周边钢环梁连接。屋盖上弦面间距10m设置环向上擦条，周边端开间设交叉钢索支撑，上弦面另有4道径向水平交叉钢索支撑，辐射析架间在上弦主擦条位置加设环向垂直交叉钢索支撑，所有交叉钢索均施加25 kN-40 kN 的预应力。

32 ANSYS中单元的选取和划分

经过对此网架结构的受力特点进行初步分析，因每根杆件的受力特点均以拉压为主，所受弯矩较小，所以杆件采用beam189单元进行模拟，这个单元是3d杆单元，具有3个节点，每个节点有6个自由度，采用铁木辛柯梁理论，可以选择截面的形状。拉索单元采用link10单元。

由于结构采用抗震支座，抗震支座要满足切向刚度和阻尼的要求，所以用仪爪combin14单元来模拟支座，combin14是空间两节点的弹簧单元，可以自由设置刚度与阻尼特性。

33 建模技巧和方法

本模型全部采用APDL语言建模，与GUI方式相比APDL有着其独特的优点，APDL可以通过变量与循环来控制所生成的点、线、面，使得一些重复的劳动得以避免，大大地加快了模型的输入速度。该工程中辐射析架的分布非常地有规律，所以采取了循环控制的建模方式，先通过简单的循环建立生成单福的辐射析架的命令流，后将这段命令流进行循环，通过在循环过程中代人不同的辐射析架底端点生成其他的辐射析架。用这种方法，不但减少了大量的重复劳动，而且可以严密地控制节点编号，为以后荷载的施加创造了良好的条件。

34 分析结果

341 模态分析

通过模态分析计算得到结构的固有频率如表1所示，第一阶振型表现为主析架的弯曲模态。

342 静力分析

对结构施加恒载、活载、风荷载，得到该种工况下的内力，而温度则作为一种单独的活载工况施加于屋盖上。在恒载和满布活载作用下，辐射析架上弦杆以受压为主，屋盖两端部辐射析架R12，RT3，RT4和RT38，RT39，RT40下弦杆全部受压，其他辐射析架下弦杆则在靠近屋脊和环梁部分受压，中间部分受拉。但在风荷载和半边活载共同作用下，各棍辐射衔架下弦杆则全部受压。

343 动力分析

对于大规模的空间结构，屋盖自由度很多，利用振型分解反应谱法计算时先采用Block Lanczos法求出前108阶振型，然后用CQC法藕合得到地震反应。输人的反应谱为地震反应谱，地震影响系数。借鉴JGJ99-98高层民用建筑钢结构技术规程的。曲线确定，amax取7度基本烈度所对应的值。经计算,采用振型分解反应谱法计算所得的地震作用下,杆件内力小于风荷载作用下的杆件内力，风荷载所引起的杆件内力在规范允许的范围内。

DMX固定指：最大位移（Displacement Max）；SMX：指定的、要查看的、那个Item解的最大值（Solution Max）。

1、SMN、SMX中S的含义应是Solution（解）,而不是Stress（应力）；至于显示的是应力解还是位移解，

要看图中第五行是UX还是SX，前者为X方向的位移，后者为X方向的应力。

DMX=MAXIMUM DISPLACEMENT

SMX=MAXIMUM Solution

PS：ANSYS这个名代表的意思是analysis system

2、如图是查看SY，即Y方向上的节点应力，结果如图显示。

DMX（固定）指最大位移（Displacement Max）

SMX是指查看节点应力结果中最大的解

SMN是指查看节点应力结果中最小的解。

NODAL SOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME=1

SY  (AVG)

RSYS=0

DMX=2448

SMN=-741E+11

SMX=477E+11