基于ANSYS的斗栱结构性能研究.pdf

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1、70低温建筑技术2013年第8期(总第182期)基于ANSYS的斗棋结构性能研究段春辉，郭小东，宋晓胜(北京工业大学抗震减灾研究所．北京100124)【摘要】通过ANSYS有限元软件建立了斗棋的计算模型，进行了斗棋在竖向荷载作用下的计算，研究了斗棋各构件的受力特征，得到了斗棋的P—A曲线，对课题的试验部分进行了验证。其次，在有限元模型的基础上，分析了斗拱中各层构件的位移变化情况，表明斗棋中各层构件的位移在荷载作用下呈线性增长趋势，并且随着层数的增加而减小。研究结果希望能够对斗拱的安全性评价提供一定的参考。【关键词】斗

2、棋；ANSYS；结构性能【中圈分类号】TU311．41【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2013)08—0070—03在古建筑木结构中，有一独特的构件即为斗棋，构件的规则性，采用映射及扫略网格划分模式，取每它是由一系列木构件经过彼此的搭接而成的，主要组个单元的尺寸为lOmm。模型共有17555个节点，成部分如图1所示。斗棋的体积庞大，种类繁多，构造20001个单元。具体的模型单元见图3。复杂，仅以应县木塔为例其本身就有6o多种斗拱，因此对其进行大批量的科学研究是不切合实际的。而表1构件尺寸一且，在试验研

3、究过程中，不能确切地反应构件的详尽的变形情况，由此对斗棋的有限元模拟研究就孕育而成。本文采用了有限元软件ANSYS建立了斗棋的有限元模型，进行了斗棋在竖向均布荷载作用下的受力分析，研究了各构件的受力情况，同时与试验研究进行了对比，证明有限元分析的可行性。十八斗昂三才升正心万拱志八斗槽升子正心瓜拱大斗图1斗棋组成构件1斗棋的有限元模型(1)模型建立。以故宫群斗棋为原型，选用殿堂单翘单昂柱头科斗棋为研究对象，具体尺寸见表l。在几何建模的过程中，由于斗棋是完全对称性，为简化计算，取整个结构的1／4进行建模分析；同时考虑到斗

4、棋中棋的卷杀对其受力影响较小，将棋端曲面以直角面代替。几何实体模型见图2。ANSYS计算模(3)木材的材质属性。在定义斗棋各构件材料型选用SOLID45实体单元，接触单元选用target170和属性时，考虑到横棋与纵棋之间垂直相交，为能准确contact173三维接触单元。本模型接触面众多，共建模拟其正交各向异性特性，在划分网格时，将斗棋中立64组接触对，其中接触面摩擦系数为0．5。的各构件划分为三类：分别赋予了四种材料构件：各(2)网格的划分。在网格划分方面，考虑到各种斗、瓜棋及慢棋等横向棋设为第一种材料；翘和昂[

5、基金项目]古建筑木结构安全性评价关键技术研究(2013BAK01B03)72低温建筑技术2013年第8期(总第182期)域，数值达到了14．02MPa，大于剪切强度。由上可知，对斗棋的各层位移进行了统计，如表3所示。在竖向荷载作用下，翘在受压破坏的时候会伴随着剪表3斗棋的各层位移切破坏的发生。2．2斗棋的P一△曲线在有限元分析过程中，为了能够得到斗棋的荷载位移曲线，选取昂顶部的一个代表性节点对其进行研究。主要是采用此顶点在各荷载子部下的位移值，作为斗棋的位移值；而根据力与反力之间的关系，寻找在同一荷载子步下的平板枋底

6、面的所有节点的作用力的总和作为斗棋的作用力，绘制曲线如图9所示。从图9中可知，斗棋的P—A曲线为直线段，主要是因为有限元模拟中的斗棋不存在构件之间接触空一隙的问题，同时当斗棋发生破坏时候，即不进行计算。曲线的斜率(斗棋的刚度)为l0．77，与试验所得的斗棋的主要承载段的斜率(8．64)相差不多，主要是因为木材本身存在的一切缺陷，如木节、干缩裂缝等，而在有限元模拟中木材的材质是均匀的、没有缺陷。2．3斗棋各层构件的位移将上表中数值绘制成曲线如图l0所示。为了研究斗棋在荷载作用下位移的主要出处，特20oZ150基／100

7、枢垣一二磊矿。砖=一099850．，---太0024竖向位移／ram各层构件位移，mm图9斗拱的P-A曲线图8翘x方向剪应力图图lO斗拱各层构件的位移变化值从图中可以看到，斗棋的变形主要集中在第一层[2]马炳坚．中国古建筑木作营造技术[M]．北京：科学出版斗棋与第二层斗棋中，而且随着斗棋层数的增加，斗社，1989．[3]赵均海．中国古代建筑结构特性研究[M]．武汉：武汉工业大棋的变形值在逐渐减小。从中也可以表明：第一层构学出版社。1999．件是斗棋中的薄弱构件，与实验中斗拱的破坏相对应。[4]高大峰，赵鸿铁，薛建阳，

8、等．中国古代大木作结构斗竖向承3结语载力的试验研究[J]．世界地震工程，2003，19(3)：56—61．通过斗拱有限元模拟分析，研究了斗棋在竖向均[5]赵均海．中国古建筑科棋的动力实验研究[J]．实验力学，布荷载作用下的力学性能，证明了试验中斗棋在承压1999，14(4)：106—112．段中P一△曲线为直线段的正确性。同时分析了斗棋[6]隋