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2013-05-03 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
ANSYS在國家體育場設計中的應用
范學偉 范 重 劉先明 彭 翼
中國建筑設計研究院,北京100044
[ 摘 要 ] ANSYS軟件是國際知名的大型通用有限元軟件,在航空、航天、汽車、機械、土木、電子等多數工業(yè)領域內有較廣泛的應用。本文主要介紹了ANSYS在國家體育場設計中的應用。結構的靜動力分析和節(jié)點有限元分析表明,ANSYS在大型復雜結構的設計中可以發(fā)揮重大作用,用戶可以通過其開放的有限元平臺單獨開發(fā)行業(yè)模塊,解決工程中的特殊復雜問題。
1 引言
國家體育場位于北京市中軸線東側,成府路南側,奧林匹克公園中心區(qū)內。國家體育場是2008年第29屆奧運會的主體育場,承擔奧運會開、閉幕式與田徑比賽,總建筑面積約為25萬m2。建筑的設計使用年限為100年,其“鳥巢”結構將成為北京市的重要標志性建筑。該建筑地面以上平面呈橢圓型,長軸為332.3m,短軸為296.4m。主體結構由鋼筋混凝土看臺與帶有可開合屋蓋的大跨度鋼屋蓋兩部分構成。屋蓋的主結構由48榀桁架與中間環(huán)梁構成,支承在周邊24根組合柱之上。屋蓋的頂面呈鞍形,最高點高度為68.5m,最低點高度為42.8m。主桁架圍繞屋蓋中部的環(huán)梁放射形布置,與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型,主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系,與大跨度鋼結構完全脫開。
2 結構分析
2.1 計算程序的選擇
在初步設計時,設計人員詳細研究了各種軟件的功能及優(yōu)缺點,最終通過比較決定采用ANSYS軟件。因為首先ANSYS有豐富的單元庫,土木工程中常用的梁板殼都有成熟的單元可以選取。其次ANSYS具有節(jié)點耦合和設置剛域功能,可以模擬計算模型中一些構件之間的相互關系。ANSYS還具有單元的生死功能,通過設置單元的生死達到模擬結構施工過程的目的。最讓設計人員欣賞的是,ANSYS是個開放的有限元平臺,提供了APDL,UIDL等開發(fā)工具,可以讓用戶自己開發(fā)專業(yè)模塊。計算對比程序采用Sap2000。
2.2 結構分析的主要內容
2.2.1 計算模型及假定
1)整體模型中所有構件都采用ANSYS中beam4單元。
2)曲梁和弧梁用多段直線梁單元模擬。
2.2.2 靜力分析
結構的主要荷載包括:恒荷載、活荷載,雪荷載、風荷載、溫度作用。其中恒荷載含結構自重、吊頂、水槽和馬道設備等等,活荷載由《建筑結構荷載規(guī)范》(GB5009-2001)不上人屋蓋確定,雪荷載由《建筑結構荷載規(guī)范》(GB5009-2001)取設計基準期100年雪壓,風荷載采用風洞報告數據,溫度作用根據北京市近30年的氣候統計資料確定。建筑物安全等級為一級,重要性系數取1.1,分項系數、組合系數按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB5009-2001)及《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)選取,。
2.2.3 抗震分析
結構的設防烈度為8度,設計地震分組為第一組。工程場地為III類。地震分析采用振型分解反應譜法,地震作用效應采用CQC法。整體模型取振型120個,表1為前30振型的頻率與周期。圖2為其主振型圖。
2.2.4 加肋構件的有限元分析
在“鳥巢”結構的固定屋蓋中,主結構、次結構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,次結構構件的寬度均為1200mm,在屋面處的高度為800~1000mm,立面處的高度為1200mm。
國家體育場“鳥巢”結構造型特殊、屋蓋結構跨度巨大,鋼結構自重在構件內力中所占比重很大。由于鋼結構直接暴露于室外,溫度變化將在結構中引起很大的內力和變形。對于這種特殊的結構體系來說,保證結構在罕遇地震作用時的安全性至關重要。因此,減少用鋼量不但對節(jié)約投資、控制造價有直接的益處,同時對于減小地震與溫度作用、增強結構的安全性也具有十分重大的意義。
在國家體育場設計過程中,為了減輕結構的自重,對于受力較小的次結構構件,有兩種設計方案,一種是采用格構式構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件內部采用設置橫向和縱向加勁肋的辦法。因此設計人員專門研究了加肋構件和非加肋構件的承載力。以Q345鋼材的焊接箱形構件□1000×1200×8×8為例,構件計算長度取L=20.0m,研究了不加肋、加一道縱肋和兩道縱肋時構件的承載力,如圖3所示。研究結果表明,設置加勁肋對于延遲薄壁箱形構件發(fā)生局部屈曲、提高構件承載力、減小用鋼量具有很大的作用。設置加勁肋后,薄壁箱形構件的實際軸壓比提高,雖然在達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為箱形薄壁構件屈曲時塑性區(qū)發(fā)展情況。
2.2.5 復雜節(jié)點的有限元分析
由于國家體育場的體型十分復雜,模型中很多部位出現大量桿件匯交的情況,這時必須對節(jié)點進行有限元分析才能判斷節(jié)點構造的有效性。為此設計人員專門制定了節(jié)點有限元設計的技術條件。節(jié)點分析的一般流程為:
在實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果的關鍵之一。理論上,這些局部構造承受的載荷是作用于對應桿件上的所有內力,所以將所對應桿件截面上的軸力、彎矩等當成載荷加到所取截面上或將該截面在整體分析中產生的變形當成約束條件施加應當是最精確的辦法。在整體模型分析中,只是每個單元的兩端節(jié)點上有解。ANSYS實體模型由于網格劃分,每個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力等效加在ANSYS實體模型上的問題,中國建筑設計研究院的設計人員在實體模型截面形心處建立節(jié)點,利用ANSYS的耦合功能將截面上節(jié)點自由度與截面形心節(jié)點自由度耦合起來,再將載荷加到形心節(jié)點上。這樣可以模擬平截面假設。對于實體模型的桿件截取長度,一般不會超過桿件截面尺度的3~4倍,一個總的原則是要符合圣維南原理。即簡化邊界不能對關心區(qū)域的結果產生顯著的影響。因此設計者可以根據需要靈活把握。圖5為一個典型的柱頂復雜節(jié)點的應力云圖。
3 二次開發(fā)技術
由于ANSYS軟件只是一個結構分析軟件,缺乏對行業(yè)規(guī)范的必要支持。為此中國建筑設計研究院結構技術開發(fā)部開發(fā)了ANSYS空間結構的專門設計模塊—CAG DESIGN。CAG DESIGN是主要針對空間結構開發(fā)的。為了對開發(fā)的模塊質量把關,成立了專門的開發(fā)小組。制訂了軟件開發(fā)的技術條件,規(guī)定了程序應遵循的標準和規(guī)范。與ANSYS的前后處理相對應,CAG DESIGN主要分為三部分,即前處理模塊CAGPREP7,計算求解模塊CAGSOLU和后處理模塊CAGPOST。前處理模塊CAGPREP7的主要功能是:設置CAG DESIGN的初始環(huán)境,ANSYS與AutoCAD的數據交換接口,常用截面的實常數計算模塊。根據空間結構的特點,主要選取了常用的梁單元,桿單元和索單元。計算求解模塊CAGSOLU的功能主要是定義單工況荷載,如恒荷載,雪荷載,風荷載,溫度作用。這些荷載可以是單元荷載,也可以是節(jié)點荷載。為了與其他程序對比,預留了接口。在國家體育場的設計中,為了解決加載復雜的問題,設計人員先在MST中加載,然后在轉換到ANSYS模型中。CAGSOLU根據工程的需要可以根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)采用振型分解反應譜法計算結構的地震響應。地震響應包括小震和中震。后處理模塊CAGPOST主要用于工況組合和截面的計算,計算后的結果可以以圖形的形式在ANSYS圖形界面上顯示各個桿件的應力分布。與此相配套開發(fā)了Excel接口文件,用來調整模型截面,對模型進行優(yōu)化。
4 小結
ANSYS作為大型通用有限元軟件,在國家體育場設計中得到了廣泛的應用。此軟件經過大量的測試,計算的精度和穩(wěn)定性都有保證。用戶可以直接通過ANSYS的開放系統,開發(fā)自己定制的模塊,不必花費大量精力對開發(fā)平臺進行維護。中國建筑設計研究院結構技術開發(fā)部正在為ANSYS軟件配套開發(fā)空間結構領域的專用模塊,為建筑設計提供有強有力的工具。
[參考文獻]
[1] Ansys 公司, APDL使用指南。
[2] Ansys 公司, UIDL PROGRAMMER’S GUIDE。
[3] 范重 范學偉 劉先明 劉巖 加肋薄壁箱形構件在國家體育場大跨度結構中的應用 第四屆現代結構工程學術研討會論文集。 2004年7月,浙江寧波。
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