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

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

要]

ANSYS軟件是國(guó)際知名的大型通用有限元軟件，在航空、航天、汽車、機(jī)械、土木、電子等多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有較廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了ANSYS在國(guó)家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力分析和節(jié)點(diǎn)有限元分析表明，ANSYS在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中可以發(fā)揮重大作用，用戶可以通過(guò)其開(kāi)放的有限元平臺(tái)單獨(dú)開(kāi)發(fā)行業(yè)模塊，解決工程中的特殊復(fù)雜問(wèn)題。1引言國(guó)家體育場(chǎng)位于北京市中軸線東側(cè)，成府路南側(cè)，奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)。國(guó)家體育場(chǎng)是2008年第29屆奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，承擔(dān)奧運(yùn)會(huì)開(kāi)、閉幕式與田徑比賽，總建筑面積約為25萬(wàn)m2。建筑的設(shè)計(jì)使用年限為100年，其“鳥(niǎo)巢”結(jié)構(gòu)將成為北京市的重要標(biāo)志性建筑。該建筑地面以上平面呈橢圓型，長(zhǎng)軸為332.3m，短軸為296.4m。主體結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土看臺(tái)與帶有可開(kāi)合屋蓋的大跨度鋼屋蓋兩部分構(gòu)成。屋蓋的主結(jié)構(gòu)由48榀桁架與中間環(huán)梁構(gòu)成，支承在周邊24根組合柱之上。屋蓋的頂面呈鞍形，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低點(diǎn)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(jié)構(gòu)一起形成了“鳥(niǎo)巢”的特殊建筑造型，主場(chǎng)看臺(tái)部分采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開(kāi)。2結(jié)構(gòu)分析2.1計(jì)算程序的選擇在初步設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員詳細(xì)研究了各種軟件的功能及優(yōu)缺點(diǎn)，最終通過(guò)比較決定采用ANSYS軟件。因?yàn)槭紫華NSYS有豐富的單元庫(kù)，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(diǎn)耦合和設(shè)置剛域功能，可以模擬計(jì)算模型中一些構(gòu)件之間的相互關(guān)系。ANSYS還具有單元的生死功能，通過(guò)設(shè)置單元的生死達(dá)到模擬結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的目的。最讓設(shè)計(jì)人員欣賞的是，ANSYS是個(gè)開(kāi)放的有限元平臺(tái)，提供了APDL，UIDL等開(kāi)發(fā)工具，可以讓用戶自己開(kāi)發(fā)專業(yè)模塊。計(jì)算對(duì)比程序采用Sap2000。2.2結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容2.2.1計(jì)算模型及假定1）整體模型中所有構(gòu)件都采用ANSYS中beam4單元。

2）曲梁和弧梁用多段直線梁?jiǎn)卧M。2.2.2靜力分析結(jié)構(gòu)的主要荷載包括：恒荷載、活荷載，雪荷載、風(fēng)荷載、溫度作用。其中恒荷載含結(jié)構(gòu)自重、吊頂、水槽和馬道設(shè)備等等，活荷載由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2001）不上人屋蓋確定，雪荷載由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009-2001）取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年雪壓，風(fēng)荷載采用風(fēng)洞報(bào)告數(shù)據(jù)，溫度作用根據(jù)北京市近30年的氣候統(tǒng)計(jì)資料確定。建筑物安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)取1.1，分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2001)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)選取，。2.2.3抗震分析結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。工程場(chǎng)地為III類。地震分析采用振型分解反應(yīng)譜法，地震作用效應(yīng)采用CQC法。整體模型取振型120個(gè)，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(gòu)件的有限元分析在“鳥(niǎo)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(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)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(lái)說(shuō)，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(guó)家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)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L=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(guó)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：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(wèn)題，中國(guó)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(lái)，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(guò)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(kāi)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(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)技術(shù)開(kāi)發(fā)部開(kāi)發(fā)了ANSYS空間結(jié)構(gòu)的專門設(shè)計(jì)模塊—CAGDESIGN。CAGDESIGN是主要針對(duì)空間結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的。為了對(duì)開(kāi)發(fā)的模塊質(zhì)量把關(guān)，成立了專門的開(kāi)發(fā)小組。制訂了軟件開(kāi)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)，CAGDESIGN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CAGDESIGN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?，預(yù)留了接口。在國(guó)家體育場(chǎng)的設(shè)計(jì)中，為了解決加載復(fù)雜的問(wèn)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(kāi)發(fā)了Excel接口文件，用來(lái)調(diào)整模型截面，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。4小結(jié)ANS