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发布时间:2023-11-13 19:03:03 阅读: 来源:光波表厂家

预应力索杆支承结构非线性数值分析

[摘要] 预应力索杆体系在点支式玻璃建筑支承结构中得到了广泛的应用,但对这类体系的原理和特性的认识还很不充分,目前所采用的方法和工具,有些还不能完全反映结构的真实情况。本文在考虑索杆结构几何非线性影响的基础上,利用通用有限元软件ANSYS 的非线性模块,对索杆体系初始预应力状态和工作状态下的结构受力性能进行了深入分析。分析结果表明,利用ANSYS 可以很方便地解决索杆体系的非线性分析问题。

关键词 索杆结构 非线性原理 有限元分析

1 引言

点支式玻露肩洋装璃幕墙索杆支承体系主要由拉杆(索)式结构组成,即采用不锈钢拉杆或用与玻璃分缝相对应的钢拉索代替一般的钢构件,形成幕墙的支承结构,玻璃通过金属连接件与其固定。通过给拉杆或拉索施加预拉应力,使其在各种可变荷载作用下都处于受拉状态,从而达到用柔性拉杆代替支承结构中的刚性构件的目的,避免了构件受压易失稳的问题,这样就可以采用截面较小的高强度钢构件,精致细巧,大大提高了建筑的通透性。

我国近年来在多项工程中采用了点支式玻璃幕墙技术,如深圳机场新航站楼、北京远洋大厦、北京植物园展览温室、南京国际会展中心和▌3、环保污染积重难返广州新白云机场航站楼等多项大型公共工程均采用了点支玻璃幕墙。但该种结构形式在国内的研究和应用总体上还处于起步阶段。

预应力索杆支承体系在点支式玻璃建筑中已经得到了大量的、广泛的应用。同工程应用相比,理论和试验方面的研究相对滞后。对这类体系的工作原理和结构特性还缺乏充分的认识,在实际工程的分析和计算中所采用的方法和计算工具有些还不能完全反映结构的真实情况。为使索杆支承结构能更加广泛地在点支式玻璃建筑中的应用,需要对其承载性能进行深入的研究,同时对其计算工具和方法的合理性、有效性进行分析论证,从而提出切实合理且便于工程应用的计算方法。

索杆支承结构依靠自平衡预应力维持结构的稳定,在没有形成预应力之前,结构是处于不稳定的机构状态,这是索杆结构区别于传统结构的本质特征。在预应力索杆支承结构中,结构刚度贡献主要来自于初始状态预应力。如果不考虑预应力的贡献,初始状态的结构刚度往往是奇异的,这就决定了这类结构体系的分析计算必须采用考虑应力刚度矩阵的非线性索杆有限元方法[2]。

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索杆支承结构的整体刚度由预应力提供的刚度和截面刚度构成。索杆体系设计包括初始慈溪状态设计和工作状态设计两部分。初始状态是指索杆在预应力作用下的自平衡状态;工作状态是指索杆在组合外荷载作用金属吊顶下的平衡状态。索杆体系的初始状态应满足:初始状态是平衡的、稳定的,即应估算出索(杆)所需的最小张力,以保证工作全过程中索始终处于张紧状态。索杆体系的工作状态应满足:索杆体系的整体稳定、节点位移应满足要求;索杆体系中的拉索(杆)不宜应受压而退出工作,必须防止应拉索(杆)退出工作而使体系成为几何可变机构。即应考虑在对称和不对称风荷载作用下,能满足挠度限制和索杆结构强度、稳定所需的拉索(杆)中张力。

本文在利用通用有限元分析软件ANSYS 的非线性模块,结合有限元软件的功能和选用的索单元特点,对索杆体系初始预应力状态和工作状态进行了分析。总结了ANSYS 的有限元分析结果,研究了索杆体系荷载-位移全过程的结构性能,并对计算方法进行了分析。

2 有限元分析模型

随着计算机技术、固体力学和数值分析科学的飞速发展,有限单元必须使用特殊材 料的夹片法已成为工程数值分析的强大工具,尤其在固体力学和结构分析的领域内,有限元法取得了巨大的进展,许多通用程序和专用程序投入实际应用,利用《新材料产业发展指南》(简称《指南》)是落实《中国制造2025》的重要文件这些程序成功地解决了一大批有重大意义的问题。

非线性问题包括状态非线性、材料非线性和几何非线性等。如果结构承受大变形,它变化的几何形状可能会引起结构的非线性相应,这就是结构的几何非线性问题。

索杆支承结构是典型的几何非线性大变形柔性结构。在该体系中,拉索属于柔性结构,具有大位移、小应变的变形特征,虽然构件的应变仍在材料的弹性范围内,应力、应交关系遵从虎克定律,但描述其变形特征的基本关系-应力与位移的关系是非线性的,其中非线性项的数值不像小变形问题那样相对线性项可以略去,而是不可忽略和必须考虑的量。基本关系的非线性使得所建立的力学微分方程成为非线性微分方程[4]。

索杆结构同时表现出一种与状态相关的非线性行为,位置控制和力控制分别要用到两个不同的控制器例如,一根只能拉伸的钢索可能是松散的,也可能是绷紧的。相应的结构系统的刚度由于系统状态的变化而改变,亦即结构的面外刚度可能大大地受结构面内应力状态的影响。这种面内应力与横向刚度之间的耦合,通称为应力刚化。在薄的、高应力的结构中,如缆索或薄膜中,应力刚化现象是相当明显的。

一个鼓面,当它绷紧时会产生垂向刚度,这

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