1、石家莊鐵道學(xué)院優(yōu)秀畢業(yè)論文單斜塔斜拉橋主塔提升受力分析4第4章加載與求解4.1簡介在建立有限元模型之后，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)在工程實際中的應(yīng)用情況為 其指定位移邊界條件和載荷，并選擇合適的求解器對其求解得到需要的結(jié) 果。加載和求解過程是ansys有限元分析中一個非常重要的部分，它主要 包括確定分析類型和分析選項、施加荷載到幾何模型、確定荷載步選項、 選擇求解的方式和開始求解分析運算。在ansys軟件中，可以進行下列類 型的分析：靜態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧分析、模態(tài)分析、譜分析、屈曲分析 和子結(jié)構(gòu)分析等。有限元分析的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對一定荷載條 件的響應(yīng)。因此，在分析中指定合適的荷載條件是關(guān)鍵的一

2、步。可以用各 種方式對模型加載，而且可以借助于荷載步選項，控制在求解中荷載如何 使用。4.1.1荷載定義及分類在ansys中，“l(fā)oads”包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在不 同的學(xué)科中，荷載的定義有：結(jié)構(gòu)分析：位移、力、壓力、溫度（熱應(yīng)變）、重力。熱分析：溫度、熱流率、對流、內(nèi)部熱生成、無限遠面。磁場分析：磁勢、磁流通、磁電流段、源流密度、無限遠面。電場分析：電勢（電壓）、電流、電荷、電荷密度、無限遠面。流休分析：速度、壓力。在ansys中，荷載主耍分為六大類：dof約束（自由度約束）、力、表 面荷載、體荷載、慣性力及耦合場荷載。它們的含義為：dof約束:用戶指定某個自由度為已知值。在

3、結(jié)構(gòu)分析中約束是位移， 熱分析屮約束是溫度和熱流量等。力：作用在幾何模型上的集中荷載。如結(jié)構(gòu)分析中的集中力和力矩, 熱分析中的熱流率，磁場分析中的電流段。表面荷載：作用在某個表曲上的分布荷載。如結(jié)構(gòu)分析中的壓力，熱 分析中的對流和熱流量。體荷載：作用在體積或場域內(nèi)。如結(jié)構(gòu)分析屮溫度，熱分析中的熱生 產(chǎn)率，磁場分析中的電流密度。慣性荷載：結(jié)構(gòu)質(zhì)量或慣性引起的荷載。如重力加速度、角速度和角 加速度等，主要在結(jié)構(gòu)分析中使用。耦合場荷載：它是一個特殊的情況，從一種分析得到的結(jié)果用作為另 一分析的荷載。如熱分析中得到的節(jié)點溫度可作為結(jié)構(gòu)分析中的體荷載施 加到每一個節(jié)點。4.1.2實體模型載荷與有限元模型

4、載荷的優(yōu)缺點在施加荷載時，可將大多數(shù)荷載施加于實體模型（關(guān)鍵點、線或面）或 是有限元模型（節(jié)點和單元）上。由于求解期望所有荷載應(yīng)依據(jù)有限元模型, 因此無論怎樣指定荷載，在開始求解時，軟件都自動將這些荷載轉(zhuǎn)換到節(jié) 點或單元上。當(dāng)荷載施加在實體模型上時，它具有下列優(yōu)缺點：優(yōu)點：實體模型荷載獨立于有限元網(wǎng)格。即：用戶可以改變單元網(wǎng)格而不影 響施加的荷載。這將允許用戶更改網(wǎng)格并進行網(wǎng)格敏感性研究而不必每次 重新施加荷載；與有限元模型相比，實體模型通常包括較少的實體。因此 選擇實體模型的實體并在這些實體上施加荷載要容易得多，尤其在通過圖 形拾取時。（2）缺點:ansys網(wǎng)格劃分命令生成的單元處于當(dāng)前激活

5、的單元坐標(biāo)系中，網(wǎng)格 劃分命令生成的節(jié)點使用整體直角坐標(biāo)系，因此實體模型和有限元模型可 能具有不同的坐標(biāo)系和加載方向；在簡化分析中，實體模型不很方便。其 中，荷載施加于主自由度。（用戶只能在節(jié)點而不能在關(guān)鍵點定義主自由度）; 施加關(guān)鍵點約束很棘手，尤其是當(dāng)約朿擴展選項被使用時。（擴展選項允許 用戶將一約束特性擴展到通過一條直線連接的兩關(guān)鍵點之間的所有節(jié)點 上）；不能顯示所有實體模型荷載。當(dāng)荷載施加在有限元模型上時，它具有下列優(yōu)缺點：優(yōu)點：在簡化分析中不會產(chǎn)生問題，因為可將荷載直接施加在主節(jié)點；不必 擔(dān)心約束擴展，可簡單地選擇所有所需節(jié)點，并指定適當(dāng)?shù)募s束。缺點：任何有限元網(wǎng)格的修改都使荷載無效

6、，需要刪除先前的荷載并在新網(wǎng)格上重新施加荷載；不便使用圖形拾取施加荷載。除非僅包含幾個節(jié)點或 單元。4.1.3可能出現(xiàn)的問題在可能產(chǎn)牛不定解或非唯一解的分析中，當(dāng)求解方程的主元為負(fù)或零 時會岀現(xiàn)所謂的奇異解。下述條件有可能會導(dǎo)致求解過程出現(xiàn)奇異：(1) 約束條件不足，有可能存在剛體位移；(2) 材料特性為負(fù)，如在瞬態(tài)分析中的密度或溫度；(3) 連接點無約束，單元排列可能會引起奇異性；(4) 彎曲。當(dāng)應(yīng)力剛化效果為負(fù)(受壓)時，結(jié)構(gòu)受載后變?nèi)酢Ｈ艚Y(jié)構(gòu)變 弱到剛度減小到零或負(fù)值時，就會出現(xiàn)奇異解；(5) 零剛度矩陣(在行或列上)。如果剛度的確為零，線性或非線性分析 都會忽略所加的荷載。4.2提升塔

7、架的風(fēng)荷載計算規(guī)范4.2.1風(fēng)荷載在露天工作的起重機應(yīng)考慮風(fēng)荷載并認(rèn)為風(fēng)荷載是一種沿任意方向 的水平力。起重機風(fēng)荷載分為工作狀態(tài)風(fēng)荷載和非工作狀態(tài)風(fēng)荷載兩類。工作狀 態(tài)風(fēng)荷載pwj是起重機在正常工作情況下所能承受的最大計算風(fēng)力。非工 作狀態(tài)風(fēng)荷載pw,o是起重機非工作時所受的最大計算風(fēng)力(如暴風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)力)。4.2.2風(fēng)荷載的計算風(fēng)荷載按下式計算:pw?ckhqa式中，pw作用在起重機上或物品上的風(fēng)荷載(n)；c風(fēng)力系數(shù)；(4-1)kh風(fēng)壓高度變化系數(shù)；q計算風(fēng)壓(m2)；a起重機或物品垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積(m2)。在計算起重機風(fēng)荷載時，應(yīng)考慮風(fēng)對起重機是沿著最不利方向作用的。4.2.3計算風(fēng)

8、壓q(1) 風(fēng)壓與空氣密度和風(fēng)速有關(guān)，可按下式計算：q?0.613v2式中，q計算風(fēng)壓(m2)；v計算風(fēng)速()。(4-2)(2) 計算風(fēng)壓分三種:q i , qll, qlll用于選擇電動機功率的阻力計算及機構(gòu)qi是起重機正常工作狀態(tài)計 算風(fēng)壓，零部件的發(fā)熱驗算；q ii是起重機工作狀態(tài)最大計算風(fēng)壓，用于計算 機構(gòu)零部件和金屬結(jié)構(gòu)的強度、剛性及穩(wěn)定性，驗算驅(qū)動裝置的過載能力 及整機工作狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性；qlll是起重機非工作狀態(tài)計算風(fēng)壓， 用于驗算此時起重機機構(gòu)零部件及金屬結(jié)構(gòu)的強度、整體抗傾覆穩(wěn)定性和 起重機的防風(fēng)抗滑安全裝置和錨定裝置的設(shè)計計算。不同類型的起重機按 具體情況選取不同的計

9、算風(fēng)壓值o(3) 室外工作的起重機的計算風(fēng)壓如下表所示：表41起重機計算風(fēng)壓(m2)工作狀態(tài)計算風(fēng)壓地區(qū)內(nèi)陸沿海臺灣省及南海諸島非工作狀態(tài)計算風(fēng)壓ql0.6q iiqh150 250 250qlll500-600 600-1000 15004.2.4風(fēng)壓高度變化系數(shù)kh起重機的工作狀態(tài)計算風(fēng)壓不考慮高度變化(kh=l)o所有起重機的非工作狀態(tài)計算風(fēng)壓均需考慮高度變化。風(fēng)壓高度變化系數(shù)kh如下表所示。表4-2風(fēng)壓高度變化系數(shù)kh離地(海)面高度h(m)1.00 1.0020 1.23 1.15 30 1.39 1.2540 1.511.3250 1.62 1.3860 1.71 1.4370 1

10、.79 1.4780 1.86 1.52h0.3) 10h0.2海上及海島()10陸上(注：計算起重機風(fēng)荷載時，可沿高度劃分成20m高的等風(fēng)壓區(qū)段，以 各段中點高度的系數(shù)kh乘以計算風(fēng)壓。4.2.5風(fēng)力系數(shù)c風(fēng)力系數(shù)與結(jié)構(gòu)物的體型、尺寸等有關(guān)，按下列各種情況決定：(1) 一般起重機單片結(jié)構(gòu)和單根構(gòu)件的風(fēng)力系數(shù)c如下表所示：圖43單片結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)c序號1結(jié)構(gòu)型式型鋼制成的平面桁架(充實率=03-0.6)型鋼、鋼板、型鋼20 lh梁、鋼板梁和箱梁30截面構(gòu)件40 50 <1?3qd2 7圓管及管結(jié)構(gòu)10?13c1.6 1.3 1.4 1.6 1.7 1.8 1.9 1.3 1.2 1.0

11、0.9 0.723(2) 兩片平行平面桁架組成的空間結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)可取單 片結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)，而總的迎風(fēng)血積應(yīng)按426中公式計算。(3) 風(fēng)朝著矩形截面空間桁架或箱形結(jié)構(gòu)的對角線方向吹來，當(dāng)矩形截 面的邊長比小于2時，計算的風(fēng)荷載取為風(fēng)向著矩形長邊作用時所受風(fēng)力 的12倍；當(dāng)矩形截面的邊長比等于或大于2時，取為風(fēng)向著矩形長邊作 用的風(fēng)力。(4) 三角形截面的空間桁架的風(fēng)荷載，可取為該空間桁架垂直于風(fēng)向的 投影面積所受風(fēng)力的1.25倍計算。4.2.6迎風(fēng)面積a起重機結(jié)構(gòu)和物品的迎風(fēng)面積應(yīng)按最不利迎風(fēng)方位計算并取垂直于風(fēng)向平面上的投影面積。單片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積為:a?ai式中，ai結(jié)構(gòu)或物

12、品的外輪廓面積，如下圖，al?hl(m2)；(4-3)?結(jié)構(gòu)的充實率，即?a,如表所示。ai圖4-1結(jié)構(gòu)或物品的面積輪廓尺寸示意圖表牛4結(jié)構(gòu)的充實率受風(fēng)結(jié)構(gòu)類型和物品實體結(jié)構(gòu)和物品機構(gòu)型鋼制成的桁架鋼管桁架結(jié)構(gòu) 充實率1.0 0.8-1.0 0.3-0.6 0.2-0.4(2)對兩片并列等高的型式相同的結(jié)構(gòu)，考慮前片對后一片的擋風(fēng)作用, 英總迎風(fēng)血積為：a?a1?a2式中，a1?1ai1前片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積；(4-4)a2?2ai2后片結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積；?兩片相鄰桁架前片對后片的擋風(fēng)折減系數(shù)，它與第一片(前片)結(jié) 構(gòu)的充實率?1及兩片桁架之間的間隔比h有關(guān)，相關(guān)圖表如下：圖42并列結(jié)構(gòu)的間隔比12

13、34560.1 0.84 0.87 0.90 0.92 0.94 0.96 0.2 0.70 0.75 0.78 0.81 0.83 0.850.3 0.57 0.62 0.64 0.65 0.67 0.680.4 0.40 0.49 0.53 0.56 0.58 0.600.5 0.25 0.33 0.40 0.44 0.50 0.540.6 0.15 0.20 0.28 0.34 0.41 0.46間隔比ah物品的迎風(fēng)面積：吊運的物品的迎風(fēng)面積應(yīng)按其實際輪廓尺寸在垂直于風(fēng)向平面上的 投影來決定。物品的輪廓尺寸不明確時，允許采用近似方法加以估算9。4.3起重塔架的風(fēng)荷載計算過程根據(jù)規(guī)范，起重

14、塔架(總高度為40m)在計算風(fēng)荷載時，可沿高度劃分 成20m高的等風(fēng)壓區(qū)段，即l-20m和20-40m兩段分別進行計算。由于要 研究提升塔架在提升主塔過程中強度、剛度和穩(wěn)定性等問題的校核，故計 算風(fēng)壓取q為工作狀態(tài)下內(nèi)陸的取值，即q?150m2o并且風(fēng)壓高度變化系 數(shù)取中點高度的值進行計算。4.3.11-20m的風(fēng)荷載計算(1)角鋼的風(fēng)荷載計算:c?1.6,根據(jù)上面的分析q?150nm2；即kh?1.00； kh取塔架10m處的值,即型鋼制成的平面桁架的風(fēng)力系數(shù)；整個塔架在最不利風(fēng)向上有重疊 的部分，考慮前片對后一片的擋風(fēng)作用，并且前片與后片并非并列平行, 而是z間有60。的夾角，鑒于這種情況

15、，其面積的計算取單片和并列的中 間值，具體計算如下：單片結(jié)構(gòu)：a?ai?0.5?1.732?20?17.32m2兩片并列結(jié)構(gòu)：a?al?a2?17.32?0.25?17.32?21.65m2因此保守起見, 取迎風(fēng)面積為 a?20m2o 故：pw?ckhqa?1.6?1.0?150?20?4800n將力分配到桁架的各個節(jié)點上，得到每個節(jié)點上的力為200no鋼管的風(fēng)荷載計算：與角鋼的計算相同,q?150nm2； kh取塔架10m處的值，即kh?1.00； 風(fēng)力系數(shù)取 c?0.7； a?0.63?20?12.6m2o 故：pw?ckhqa?0.7?1.0?150?12.6?1323n將力分配到各個節(jié)

16、點上，得到每個節(jié)點上的力為165.38no4.3.220-40m的風(fēng)荷載計算角鋼的風(fēng)荷載計算：c?1.6,根據(jù)上曲的分析q?150nm2；即kh?1.39； kh取塔架30m處的值，即型鋼制成的平面桁架的風(fēng)力系數(shù)；整個塔架在最不利風(fēng)向上有重疊 的部分，考慮前片對后一片的擋風(fēng)作用，并且前片與后片并非并列平行, 而是之間有60。的夾角，鑒于這種情況，其面積的計算取單片和并列的中 間值，具體計算如下：單片結(jié)構(gòu)：a?al?0.5?1.732?20?17.32m2兩片并列結(jié)構(gòu)：a?al?a2?17.32?0.25?17.32?21.65m2因此保守起見，取迎風(fēng)面積為a?20m2o故：pw?ckhqa?1

17、.6?1.39?150?20?6672n得到桁架每個節(jié)點上的力為278no(2)鋼管的風(fēng)荷載計算:與角鋼的計算相同，q?150nm2； kh取塔架30m 處的值，即 kh?1.39；風(fēng)力系數(shù)取 c?0.7； a?0.63?20?12.6m2o故：pw?ckhqa?0.7?1.39?150?12.6?1838.97n將力分配到各個節(jié)點上，得到每個節(jié)點上的力為229.87no4.4單斜塔的風(fēng)荷載計算規(guī)范4.4.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下述公式計算。(1) 當(dāng)計算主要承重結(jié)構(gòu)時：wk?z?s?zwo式中，wk風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kn/m2)； (4-5)?z高度z處的

18、風(fēng)振系數(shù)；?s風(fēng)荷載體型系數(shù)；?z風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0基本風(fēng)壓(kn/m2)o(2) 當(dāng)計算|韋|護結(jié)構(gòu)時：wk?gz?s?zwo (4-6)式中，？gz高度z處的陣風(fēng)系數(shù)。基本風(fēng)壓應(yīng)按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范按照50年一遇的風(fēng)壓采用，但是不 得小于0.3kn/m2o4.4.2風(fēng)壓高度變化系數(shù)對于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別按下表確定。地面粗糙度可分為a、b、c、d四類：a類指近海海面和海島、海岸、 湖岸及沙漠地區(qū)；b類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)； c類指有密集建筑群的城市市區(qū)；d類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。表4-6風(fēng)壓高度變化系

19、數(shù)?z離地面或海平面高度(m)5 10 15 20 30 40 50 60地面粗糙度類別a 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 2.03 2.12b 1.00 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 1.67 1.77c 0.74 0.74 0.74 0.84 1.00 1.13 1.25 1.35d 0.62 0.62 0.62 0.62 0.62 0.73 0.84 0.934.4.3風(fēng)荷載體型系數(shù)對于單斜塔的風(fēng)荷載體型系數(shù)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，應(yīng)按照封閉 式落地雙坡屋面的類別來取值，具體如下：0°30°260。?s0 +0.2 +0

20、.84.4.4風(fēng)振系數(shù)圖4-3風(fēng)荷載體型系數(shù)對于基本自振周期t1大于0.25s的工程結(jié)構(gòu)，如房屋、房屋及各種高 聳結(jié)構(gòu)，以及對于高度大于30m且高度比大于1.5的高柔房屛，均應(yīng)考慮 風(fēng)壓脈動對結(jié)構(gòu)中間按差值計算 發(fā)牛順風(fēng)向風(fēng)振的影響。風(fēng)振計算應(yīng)按 隨即振動理論進行，結(jié)構(gòu)的自振周期應(yīng)按結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算。対丁一般懸臂型結(jié)構(gòu)，例如構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)，以及高度 大于30m,高寬比大于1.5 m可忽略扭轉(zhuǎn)影響的高層建筑，均可僅考慮第 一振型的影響，結(jié)構(gòu)在z高度處的風(fēng)振系數(shù)?z可按下式計算：?z?1?式中，？脈動增大系數(shù)；?z ?z(4-7)?脈動影響系數(shù)；?z振型系數(shù)；?z風(fēng)壓高度變化系數(shù)。4.5

21、單斜塔風(fēng)荷載的計算過程根據(jù)規(guī)范全國各城市的50年一遇風(fēng)壓，可查得天津市50年一遇的風(fēng) 壓為0.50kn/m2；風(fēng)振系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗取值為?z?1.0；風(fēng)壓高度變化系數(shù)選 擇d類，即有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)，單斜塔在提升過程中, 分別取五個不同的提升角度進行風(fēng)荷載的計算，即9。、20。、30。、40。、46° o 9。為提升前的主塔初始位置，46。為提升到位時的最終位置，其風(fēng)壓高度變化系數(shù)如下表:表4-7不同角度風(fēng)壓高度變化系數(shù)提升角度(。)9° 20° 30° 40° 46°主塔離地面的高度(m)7.12 15.56 22.75

22、29.25 32.73風(fēng)壓高度變化系數(shù)?z0.62 0.62 0.62 0.62 0.65風(fēng)荷載體型系數(shù)，在不同的角度也有不同的取值，如下表所示：表48不同角的風(fēng)荷載體形系數(shù)提升角度(。)9°20° 30° 40° 46°風(fēng)荷載體型系數(shù)?s0.060 0.133 0.200 0.267 0.307(1)主塔在9。時的風(fēng)荷載計算：wk?z?s?zw0?1.0?0.06?0.62?0.50?m2將此風(fēng)荷載分解為垂直于主塔和平行于主塔的兩個分力，得： 垂直分力：2.91m2平行分力：18.37m2由于平行于主塔的風(fēng)荷載對主塔提升的影響很小，故可忽略不計。 主塔在20。時的風(fēng)荷載計算：wk?z?s?zw0?1.0?0.133?0.62?0.50?m2將此風(fēng)荷載分解為垂直于主塔和平行于主塔的兩個分力，得： 垂直分力:14.10m2平行分力：38.74m2由