ANSYS对建筑工程中立柱梁架的分析

2010-09-07长春理工大学石广丰史国权

中国建设信息化 2010年8期

◎ 长春理工大学石广丰史国权

1 前言

ANSYS软件作为通用有限元软件，在结构分析中有着灵活的应用。首先，它可实现对结构的整体分析，任意设定荷载工况，并可完成复杂的荷载工况组合；在整体分析的同时，也可对感兴趣的细部加密网格，得到较为精确的细部结果。也可将本工程感兴趣的细部单独建模，将结构整体分析的结果引入细部模型，将得到满意的计算结果。其次，ANSYS软件可以实现各种复杂的计算假定，可使计算结果更接近结构实际情况[1]。本文采用此软件对建筑工程中立柱梁架进行结构静力分析。

2 立柱梁架的有限元分析

立柱是建筑工程中常用到的支撑用具，为了不影响施工质量，在其底部设计的方钢梁架对其起支撑作用。本文中的立柱和梁架采用壳体，厚度均为6mm，立柱尺寸为1975mm×320mm×320mm，斜交方钢梁为1200mm×160mm×160mm，立柱和斜交方钢梁之间靠一井字形固联方钢梁架连接。两方钢梁斜交处为支架，和斜交方钢梁两外端用铰链连接于地面。立柱材料为铸铁，方钢梁材料为45号钢。整个结构如图1，连接处采用焊接形式，质量较好可看成一体。在立柱顶端承受着54KN的静压力，其顶部靠斜交方钢梁的左右两侧边沿承受着不同的弯矩。本文主要分析立柱受载对方钢梁架应力应变的影响，根据分析目的，我们将弯矩等效为沿立柱向下的载荷，左侧为978.5N，右侧为1107.2N ，结构自重45KN。

2.1 前处理

前处理部分有建模、加载和求解三方面的内容[2]。

2.1.1 导入模型

图1 立柱梁架实体模型

建立的模型是否与实际结构相接近，决定了分析结果的准确与可靠程度。ANSYS自身有着较为强大三维建模能力和参数化功能，仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型。然而对于设计者来说，往往更易于使用三维建模软件来建立实体模型，利用ANSYS强大的接口功能，导入后进行有限元分析。本文在CATIA环境下建立实体模型，利用ANSYS和CATIA模型的接口，将零件按坐标系关系设好后分别导入，再进行质量恢复得到（如图1）。导入时要注意单位问题，ANSYS中的单位是使用者统一的，当然，最好设成国际单位制。

采用SOLID92单元对立柱梁架进行自由网格划分，42793个单元，57934个节点。将立柱材料属性设为EX=1.2E+11，PRXY=0.291，将方钢梁架材料设为EX=2E+11，PRXY=0.26。有限元模型如图2。

2.1.2 加载

ANSYS分析中，加载的含义：一是对模型加约束条件，二是对模型加荷载条件。对方钢梁架的铰链处施加固定约束，在立柱顶部施加竖直向下的正压力和自重压力载荷，在靠斜交方钢梁的立柱顶部两边沿上分别施加弯矩的等效集中载荷。

2.1.3 求解

在建模，划分网格和加载工作完成后，就可进入求解器。根据需要选择分析类型：静力分析以求得荷载作用下的结构的应力、应变情况。

2.2 后处理

ANSYS的后处理可根据用户的需要提取结果，得到分析后的位移、应力、应变等结果，并由此判断结构是否能正常工作。

通过对立柱梁架的结构静力应力应变分析，我们可以发现柱架所受最大Von Mises应力远远小于本身的许用应力，应变也比较小，可见立柱梁架是安全的。我们可以找到如斜交方钢梁的外伸端铰链处，立柱与方钢梁架的点焊处和斜交方钢梁与支板的交接处，它们是危险处。据此我们可以针对方钢梁的材料和交接处的焊接质量，以及总体结构设计提出改进措施，以防止立柱梁架在危险的工况下或长时间的受力情况下，发生变形和危险，影响建筑质量。