ANSYS在國家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1 引言

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算程序的選擇

    

2.2 結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容

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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(chǎng)“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(chǎng)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(zhǎng)度取=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(chǎng)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：

 
圖5  節(jié)點(diǎn)Von mise應(yīng)力云圖

 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(zhǎng)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(jiǎn)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?jiǎn)卧?，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龋A(yù)留了接口。在國家體育場(chǎng)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(chǎng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。此軟件經(jīng)過大量的測(cè)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。