ansys在国家体育场设计中的应用

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1、ANSYS在国家体育场设计中的应用

2、第1lun2。建筑的设计使用年限为100年，其“鸟巢”结构将成为北京市的重要标志性建筑。该建筑地面以上平面呈椭圆型，主体结构由钢筋混凝土看台与带有可开合屋盖的大跨度钢屋盖两部分构成。屋盖的主结构由48榀桁架与中间环梁构成，支承在周边24根组合柱之上。屋盖的顶面呈鞍形，最高点高度为68.5m，最低点高度为42.8m。主桁架围绕屋盖中部的环梁放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型，主场看台部分采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。结

3、构分析计算程序的选择在初步设计时，设计人员详细研究了各种软件的功能及优缺点，最终通过比较决定采用ANSYS软件。因为首先ANSYS有丰富的单元库，土木工程中常用的梁板壳都有成熟的单元可以选取。其次ANSYS具有节点耦合和设置刚域功能，可以模拟计算模型中一些构件之间的相互关系。ANSYS还具有单元的生死功能，通过设置单元的生死达到模拟结构施工过程的目的。最让设计人员欣赏的是，ANSYS是个开放的有限元平台，提供了APDL，UIDL等开发工具，可以让用户自己开发专业模块。结构分析2.2.1计算模型及假定1）整体模型

4、中所有构件都采用ANSYS中beam4单元。2）曲梁和弧梁用多段直线梁单元模拟。2.2.2静力分析结构的主要荷载包括：恒荷载、活荷载，雪荷载、风荷载、温度作用。其中恒荷载含结构自重、吊顶、水槽和马道设备等等，活荷载由《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）不上人屋盖确定，雪荷载由《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）取设计基准期100年雪压，风荷载采用风洞报告数据，温度作用根据北京市近30年的气候统计资料确定。建筑物安全等级为一级，重要性系数取1.1，分项系数、组合系数按《建筑结构荷载规范》(GB

5、5009-2001)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)选取。2.2.3抗震分析结构的设防烈度为8度，设计地震分组为第一组。工程场地为III类。地震分析采用振型分解反应谱法，地震作用效应采用CQC法。整体模型取振型120个，图2为其主振型图。图2结构振型图2.2.4加肋构件的有限元分析国家体育场“鸟巢”结构造型特殊、屋盖结构跨度巨大，钢结构自重在构件内力中所占比重很大。由于钢结构直接暴露于室外，温度变化将在结构中引起很大的内力和变形。对于这种特殊的结构体系来说，保证结构在罕遇地震作用时的安全性至关

6、重要。因此，减少用钢量不但对节约投资、控制造价有直接的益处，同时对于减小地震与温度作用、增强结构的安全性也具有十分重大的意义。在国家体育场设计过程中，为了减轻结构的自重，对于受力较小的次结构构件，有两种设计方案，一种是采用格构式构件加外覆装饰性薄钢板的做法。另外一种是考虑在箱型截面构件内部采用设置横向和纵向加劲肋的办法。因此设计人员专门研究了加肋构件和非加肋构件的承载力。如图3所示。研究结果表明,设置加劲肋对于延迟薄壁箱形构件发生局部屈曲、提高构件承载力、减小用钢量具有很大的作用。设置加劲肋后，薄壁箱形构件的实

7、际轴压比提高。图4为箱形薄壁构件屈曲时塑性区发展情况。2.2.5复杂节点的有限元分析由于国家体育场的体型十分复杂，模型中很多部位出现大量杆件汇交的情况，这时必须对节点进行有限元分析才能判断节点构造的有效性。在实体模型的有限元分析工作中，正确施加载荷及边界条件是取得合理结果的关键之一。理论上，这些局部构造承受的载荷是作用于对应杆件上的所有内力，所以将所对应杆件截面上的轴力、弯矩等当成载荷加到所取截面上或将该截面在整体分析中产生的变形当成约束条件施加应当是最精确的办法。在整体模型分析中，只是每个单元的两端节点上有解

8、。ANSYS实体模型由于网格划分，每个截面往往要被分成很多份，因此面临着如何将整体模型的内力等效加在ANSYS实体模型上的问题，中国建筑设计研究院的设计人员在实体模型截面形心处建立节点，利用ANSYS的耦合功能将截面上节点自由度与截面形心节点自由度耦合起来，再将载荷加到形心节点上。这样可以模拟平截面假设。对于实体模型的杆件截取长度，一般不会超过杆件截面尺度的3～4倍，一个总的原则是要符合圣维南原理。即简化边界不能对关心区域的结果产生显著的影响。因此设计者可以根据需要灵活把握。图5为一个典型的柱顶复杂节点的应力云

9、图。总结ANSYS作为大型通用有限元软件，在国家体育场设计中得到了广泛的应用。此软件经过大量的测试，计算的精度和稳定性都有保证。用户可以直接通过ANSYS的开放系统，开发自己定制的模块，不必花费大量精力对开发平台进行维护。中国建筑设计研究院结构技术开发部正在为ANSYS软件配套开发空间结构领域的专用模块，为建筑设计提供有强有力的工具。