ANSYS鋼構(gòu)細部強度驗算

2016-10-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1復(fù)核計算

1.1 計算思路

節(jié)點分析數(shù)值計算的總體思路為:以我方建立的MIDAS/civil模型,計算所得的桿件內(nèi)力(主要考慮的是軸力和彎矩,剪力和扭矩不考慮,因為它們之間有數(shù)量級的差距),作為所要分析的節(jié)點所連接的相關(guān)桿件的外力,將其施加至用實

1.2有限元模型

節(jié)點細部采用通用軟件ANSYS進行建模,節(jié)點各桿長往外延伸1m處用實體建模,單元選用ANSYS軟件中的Solid185實體單元進行模擬,考慮各桿件連接處的細部過渡(利用倒角過渡)。實體的網(wǎng)格劃分采用ANSYS中的自由網(wǎng)格劃分,利用ANSYS Mechanical APDL的智能網(wǎng)格體積算法,在幾何模型外形突變處進行較細密的網(wǎng)格劃分(劃分網(wǎng)格后實體模型如圖1-1-1-3所示)。為方便施加桿端力,在實體模型各桿件端頭建立0.4m的梁單元,梁單元以Beam4單元進行模擬,實體單元與梁單元之間通過剛域進行連接(如下圖1-4所示)。ANSYS模型中,單元所用材料特性與Midas/civil中實際所用鋼材一致。邊界約束條件為固結(jié)單根主桁桿,其余桿端均為自由端(如圖1-4所示),通過對桿端梁單元施加外荷載,使ANSYS模型趨近Midas/civil受力形式。

圖1-1 25號節(jié)點劃分網(wǎng)格后模型

圖1-2 37號節(jié)點劃分網(wǎng)格后模型

圖1-3 150號節(jié)點劃分網(wǎng)格后模型

圖1-4單元之間的剛域連接

2節(jié)點應(yīng)力分析

2.1 25號節(jié)點外荷載

該人行天橋結(jié)構(gòu)所受的外荷載包括:恒載(自重、欄桿、橋面鋪裝、頂棚荷載)、活載(人群荷載)、溫度荷載(整體升溫、整體降溫、溫度梯度)、等效的靜風(fēng)荷載、橋墩不均勻沉降以及其他各種可能的合理荷載組合,此處,僅對橋梁恒載、恒載與活載組合以及最不利荷載組合(最不利荷載組合是指:在荷載作用方向明確的荷載作用下節(jié)點各桿件產(chǎn)生的內(nèi)力一定,以此內(nèi)力為基準,將其他荷載方向不明確的荷載作用于模型上,選取在方向不明確荷載作用下易于變形的桿件作參考桿件,不同荷載工況下,使該桿件內(nèi)力達到與方向明確荷載產(chǎn)生同號內(nèi)力且為最大值的荷載工況為荷載組合工況,即最不利荷載組合工況)作用下節(jié)點的應(yīng)力分布情況,進行理論分析比較。提取Midas/civil模型中相應(yīng)桿單元的內(nèi)力,作為ANSYS模型中對應(yīng)梁單元的外力,將其施加到節(jié)點局部模型對應(yīng)的桿端梁單元上(如下表2-1~2-3所示,25號節(jié)點提取結(jié)果)。人行天橋各桿件所受內(nèi)力以軸力和彎矩為主,剪力和扭矩相比較軸力及彎矩小一至兩個數(shù)量級。

表2-1 恒載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	316363.31	-28099.41	-1657.49
上弦桿2	-153592.00	-48606.74	-8381.21
上弦平面內(nèi)斜桿1	71029.08	-1148.60	-776.66
上弦平面內(nèi)斜桿2	3869728.74	18416.73	-27397.68
斜腹桿1	2926884.75	8729.05	55293.34
斜腹桿2	-1712043.83	18340.36	-16913.44

表2-2恒載與活載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	452939.53	-37596.12	-6135.06
上弦桿2	-251871.97	-64214.56	-13976.47
上弦平面內(nèi)斜桿1	5389774.37	32058.14	-32283.10
上弦平面內(nèi)斜桿2	816432.95	-12674.40	-18419.18
斜腹桿1	3974011.81	32597.57	68195.05
斜腹桿2	-2939572.95	27254.17	-33527.35

表2-3最不利荷載組合作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	565565.21	-55323.61	30001.71
上弦桿2	-347666.92	-83286.93	-31289.30
上弦平面內(nèi)斜桿1	5894682.31	79504.16	-43321.85
上弦平面內(nèi)斜桿2	1451699.19	-33050.35	-44512.29
斜腹桿1	4166898.83	110476.70	113927.13
斜腹桿2	-3627720.82	47719.34	-49035.42

2.1.1 恒載作用下25號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有10891個節(jié)點,47150個Solid185單元和10個Beam4單元。恒荷載(對應(yīng)Midas中0號工況)作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-1 25號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-2 25號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-3 25號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,25號節(jié)點在恒載作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為98.7MPa,在上弦平面內(nèi)斜桿上有應(yīng)力集中現(xiàn)象;Midas計算結(jié)果得出的最大應(yīng)力為99.1MPa,也位于上弦平面內(nèi)斜桿上。ANSYS計算可靠,應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,滿足設(shè)計要求。

2.1.2 恒載+活載作用下25號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有10891個節(jié)點,47150個Solid185單元和10個Beam4單元。恒荷載+活載(對應(yīng)Midas中1號工況)作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-4 25號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-5 25號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-625號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,25號節(jié)點在恒載+活載作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為137MPa,在上弦平面內(nèi)斜桿處有應(yīng)力集中;其應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,滿足設(shè)計要求。

2.1.3 最不利荷載組合作用下25號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有10891個節(jié)點,47150個Solid185單元和10個Beam4單元。最不利荷載組合(最不利荷載組合是指:在荷載作用方向明確的荷載作用下節(jié)點各桿件產(chǎn)生的內(nèi)力一定,以此內(nèi)力為基準,將其他荷載方向不明確的荷載作用于模型上,選取在方向不明確荷載作用下易于變形的桿件作參考桿件,不同荷載工況下,使該桿件內(nèi)力達到與方向明確荷載產(chǎn)生同號內(nèi)力且為最大值的荷載工況為荷載組合工況,即最不利荷載組合工況)作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-7 25號節(jié)點最不利荷載組合作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-8 25號節(jié)點最不利荷載組合作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-9 25號節(jié)點最不利荷載組合作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,25號節(jié)點在最不利荷載組合作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為155MPa,在上弦平面內(nèi)斜桿處有應(yīng)力集中;應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,滿足設(shè)計要求。

2.2 37號節(jié)點外荷載

提取Midas/civil模型中相應(yīng)桿單元的內(nèi)力,作為ANSYS模型中對應(yīng)梁單元的外力,將其施加到節(jié)點局部模型對應(yīng)的桿端梁單元上(如下表2-4-2-6所示,37號節(jié)點提取結(jié)果)。

表2-4恒載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	-489096.58	-131677.59	-39711.17
上弦桿2	886240.02	-114084.29	-22856.33
上弦平面內(nèi)斜桿1	-1438625.03	119551.20	70221.61
上弦平面內(nèi)斜桿2	-1591057.59	49912.33	17078.36
斜腹桿1	226762.48	101577.87	-122967.72
斜腹桿2	-1054693.36	52694.92	103519.63

表2-5恒載與活載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	-739858.05	-179385.14	-55920.63
上弦桿2	1258387.49	-152706.25	-34009.77
上弦平面內(nèi)斜桿1	-2044485.15	173346.09	116335.95
上弦平面內(nèi)斜桿2	-2236518.46	84922.83	28607.97
斜腹桿1	495233.08	143639.83	-173884.97
斜腹桿2	-1489679.58	79243.82	148416.56

表2-6恒載與活載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	-902685.66	-231928.62	-68824.74
上弦桿2	1434735.39	-191596.38	-40435.48
上弦平面內(nèi)斜桿1	-2797213.31	139052.72	46138.85
上弦平面內(nèi)斜桿2	-2572250.32	265752.10	159228.32
斜腹桿1	647690.42	169976.05	-239614.13
斜腹桿2	-1777751.75	116052.89	190033.64

2.2.1 恒載作用下37號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有11643個節(jié)點,51172個Solid185單元和10個Beam4單元。恒荷載(對應(yīng)Midas中0號工況)作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-10 37號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-11 37號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-12 37號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,37號節(jié)點在恒載作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為72.3MPa,在固端約束處有應(yīng)力集中現(xiàn)象;應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,滿足設(shè)計要求。

2.2.2 恒載+活載作用下37號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有11643個節(jié)點,51172個Solid185單元和10個Beam4單元。恒荷載+活荷載(對應(yīng)Midas中1號工況)作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-13 37號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-14 37號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-15 37號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,37號節(jié)點在恒載+活載作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為110MPa,在固端約束處有應(yīng)力集中現(xiàn)象;這是因為固端約束處采用剛接,導(dǎo)致此處剛度大于其他自由端,受外荷載的作用時,此處將擔更大荷載,應(yīng)力相對要集中些。但此處的應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,所以在如此荷載作用下結(jié)構(gòu)是安全的,滿足設(shè)計要求。

2.2.3 最不利荷載作用下37號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有11643個節(jié)點,51172個Solid185單元和10個Beam4單元。最不利荷載作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-16 37號節(jié)點最不利荷載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-17 37號節(jié)點最不利荷載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-18 37號節(jié)點最不利荷載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,37號節(jié)點在恒載+活載作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為142MPa,在固端約束處有應(yīng)力集中現(xiàn)象;這是因為固端約束處采用剛接,導(dǎo)致此處剛度大于其他自由端,受外荷載的作用時,此處將擔更大荷載,應(yīng)力相對要集中些。但此處的應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,所以在如此荷載作用下結(jié)構(gòu)是安全的,滿足設(shè)計要求。

2.3 150號節(jié)點外荷載

提取Midas/civil模型中相應(yīng)桿單元的內(nèi)力,作為ANSYS模型中對應(yīng)梁單元的外力,將其施加到節(jié)點局部模型對應(yīng)的桿端梁單元上(如下表2-7-2-9所示,150號節(jié)點提取結(jié)果)。

表2-7恒載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	1475476.75	-11987.43	29385.16
上弦桿2	-2036715.18	19323.92	33051.81
上弦平面內(nèi)斜桿1	-1639381.53	110061.10	-59654.70
上弦平面內(nèi)斜桿2	-2938450.87	154815.34	-65136.33
斜腹桿1	-314753.69	17177.12	13653.11
斜腹桿2	-701108.78	-26879.80	22615.93

表2-8恒載與活載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	2043635.87	-22730.15	45557.41
上弦桿2	-2849890.99	46677.25	53338.18
上弦平面內(nèi)斜桿1	-2414274.34	160094.69	-79630.84
上弦平面內(nèi)斜桿2	-4130634.99	233199.72	-113340.73
斜腹桿1	-532121.55	29430.81	30048.91
斜腹桿2	-996456.15	-39249.51	45464.55

表2-9最不利荷載作用下節(jié)點外荷載

桿件名稱	軸力(N)	彎矩1(N·m)	彎矩2(N·m)
上弦桿1	2250120.59	-42577.62	65190.34
上弦桿2	-3105942.87	81995.94	67726.67
上弦平面內(nèi)斜桿1	-4521346.53	457654.03	-137581.81
上弦平面內(nèi)斜桿2	-2861141.74	305685.14	-101694.57
斜腹桿1	-1253849.53	-62792.69	77953.76
斜腹桿2	-707639.41	55002.18	45371.96

2.3.1 恒載作用下150號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有11829個節(jié)點,52108個Solid185單元和10個Beam4單元。恒荷載(對應(yīng)Midas中0號工況)作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-19 150號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-20 150號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-21 150號節(jié)點恒載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,150號節(jié)點在恒載作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為96.6MPa,在上弦平面內(nèi)斜桿處有應(yīng)力集中現(xiàn)象;應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,滿足設(shè)計要求。

2.3.2 恒載+活載作用下150號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有11829個節(jié)點,52108個Solid185單元和10個Beam4單元。恒荷載+活荷載(對應(yīng)Midas中1號工況)作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-22 150號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-23 150號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-24 150號節(jié)點恒載+活載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,150號節(jié)點在恒載+活載作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為139MPa,在上弦平面內(nèi)斜桿處有應(yīng)力集中現(xiàn)象;應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,滿足設(shè)計要求。

2.3.3 最不利荷載作用下150號節(jié)點分析結(jié)果

模型共有11829個節(jié)點,52108個Solid185單元和10個Beam4單元。最不利荷載工況作用下所得Mises應(yīng)力云圖如下所示。

圖2-25 150號節(jié)點最不利荷載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-26 150號節(jié)點最不利荷載作用下Mises應(yīng)力云圖

圖2-27 150號節(jié)點最不利荷載作用下Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果,150號節(jié)點在最不利荷載組合作用下,ANSYS計算結(jié)果的最大Mises應(yīng)力為182MPa,在上弦平面內(nèi)斜桿處有應(yīng)力集中現(xiàn)象;應(yīng)力水平低于所用材料(Q420鋼)屈服強度的0.6倍,滿足設(shè)計要求。

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