梁单元和实体单元模拟框架结构的差异性比较

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1、·46·2014年第5期2014年10月SichuanBuildingMaterials第40卷总第181期DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.2014.05.021梁单元和实体单元模拟框架结构的差异性比较徐新光(中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都610041)[9]摘要:利用数值方法分析框架结构的动力响应时,限元三维实体与壳单元的组合建模问题,杜宝江等基于需要用梁单元模拟上部结构、实体单元模拟下部结构,而ANSYS研究梁单元与实体单元的组合建模方法,但用实体在组合建模中存在着单元自由度的耦合问题。针对这一问单元代替梁单元模拟分析框架结构中梁柱的动力响应

2、,其题,分别用梁单元和实体单元计算框架的上部结构进行时计算结果与梁单元得到的结果的差异是值得探讨的。通过程分析。对比结构的Mises应力分布、结构在x方向的位移分析两者的差别,可以更好地为确定框架结构何处使用何分布,发现两种方法的结果大致相同,但在边柱与梁的连种单元,以及如何连接不同的单元提供参考。接处应力相差较大,在边柱的底端处x方向的位移值相差本文初步利用ANSYS软件中的梁单元和实体单元分别较大。对比柱底处x方向上的支座反力值以及柱顶处x方对一榀框架进行时程分析,在应力、位移、支座反力方面向的位移发现,两种方法得到的中间柱的结果基本相同,进行对比,得出两种单元计算方法下的差异。边柱处的结

3、果随时间的变化趋势相同,但大小存在着一定的差别。1梁单元理论关键词:梁单元;实体单元;Mises应力;结构位移;梁是一种几何上一维而空间上二维或三维的单元,主支座反力;节点位移要用于模拟一个方向长度大于其他两方向的结构形式。梁中图分类号:TU378．2文献标志码:B柱杆件是指同时承受弯矩(或横向力)和轴力作用的构件,文章编号:1672-4011(2014)05-0046-03其中以承受弯矩为主的构件称为梁,而以承受轴向压力为0前言主的构件称为柱。所以梁、柱受力分析的理论基础均基于梁理论。在一般的结构设计中需要进行地震反应计算分析时,梁理论有两种:铁木辛格理论和欧拉-伯努利理论。结构工程师通常采

4、用刚性地基模型,即假定地震时建筑结其中欧拉-伯努利理论是经典梁理论,基于以下假设:①构的基础与临近的自由场运动一致。但是在地震作用下,变形前垂直于梁中心线的平截面,在梁受载荷而弯曲变形上部结构由于惯性力的存在,往往会通过基础对地基产生时仍然保持为平面;②变形后的横截面仍垂直于中性层;作用,在地基与基础接触的局部发生变形。如果地震波造③横截面上没有任何伸长或缩短,即这些平面为刚性平面。成的地基整体变形并非远大于这种局部变形,基础相对于而铁木辛格理论是在欧拉-伯努利理论基础上考虑了剪切地基发生的平移和转动会增大结构体系的振动周期和阻尼,[10]变形的影响。本文选取的beam188单元是基于铁木辛格

5、这就产生了土-结构动力相互作用。这种相互作用尤其在理论的。在计算中,单元形函数为拉格朗日插值多项式,柔性地基中可能使结构体系的振动周期增大到接近于地面具有线性或二次的位移函数;横向剪应力沿厚度方向为常运动卓越周期,从而增大上部结构的地震响应,造成较严数(一阶剪切变形梁单元);可以模拟自由或约束扭转效重的震害。因此,在抗震设计中不能简单地采用刚性地基应;支持丰富的模型特性(塑性和蠕变)。[1-5]模型,应该合理考虑土-结构动力相互作用。目前土-结构相互作用的研究方法主要有理论研究、2梁单元和实体单元模拟框架结构的结果比较数值分析和试验研究。相比较其他方法,数值分析虽然在2．1计算模型理论模型上做

6、出一些假设和简化,但是在对结构进行设计和优化时,其效率和经济性均优于另外两种方法。因此,框架的几何尺寸和有限元模型如图1~2所示。框架梁数值模型广泛应用于研究土-结构相互作用[3]。柱均取矩形截面,尺寸均取0．4m×0．6m,材料为C40混103在利用数值分析研究土-结构相互作用时,上部结构凝土,弹性模量为3．25×10Pa,密度为2700kg/m,泊为板梁柱,属于杆件结构。为了建模的方便和提高计算效松比为0．2,这里不考虑塑性情况。梁柱节点处设为固结,率,上部结构一般采用梁单元模拟,下部土体结构则用实柱底端约束y、z方向,在x方向施加加速度,如表1所示。体单元模拟。然而在考虑土-结构相互作用

7、的情况下分析梁单元采用188单元,实体单元采用185单元。6m6m结构在地震作用下的动力响应时,模型中同时有梁单元和[6]456实体单元,存在着单元自由度耦合的问题。尽管针对单[7]元自由度耦合,谢元丕等通过研究验证了MPC法能正确m地实现壳单元和体单元连接的结论,高广军等[8]研究了有3123作者简介:徐新光(1988-),男,四川成都人,助理工程师,研究方向:建筑结构设计。图1框架结构几何尺寸