王云極,袁 泉
(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,長(zhǎng)春 130021)
隨著三維設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用,利用其進(jìn)行電廠全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)工作,從而提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量,已逐步成為電力設(shè)計(jì)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際市場(chǎng)的一大優(yōu)勢(shì)。為滿足工藝布置設(shè)計(jì)的要求,土建結(jié)構(gòu)專業(yè)需要在PDMS三維設(shè)計(jì)軟件中建立完整準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)布置模型,用以協(xié)同設(shè)計(jì),而如何將布置模型簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)計(jì)算模型則成為土建結(jié)構(gòu)專業(yè)三維布置設(shè)計(jì)流程中非常重要的一部分。運(yùn)用PDMSMidas接口軟件,可以將結(jié)構(gòu)布置模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件Midas中間數(shù)據(jù)文件,從而實(shí)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)布置模型從三維設(shè)計(jì)軟件傳遞給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,這樣既滿足三維設(shè)計(jì)平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)的需求,又通過(guò)數(shù)據(jù)貫通保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確和高效。
大型火力發(fā)電廠主廠房等工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中,由于柱斷面大、工藝布置復(fù)雜等原因,需要布置縱向雙梁才能滿足設(shè)計(jì)要求[1],并通常簡(jiǎn)化為一根單梁來(lái)建立計(jì)算模型。在PDMS三維設(shè)計(jì)軟件中,梁與柱的連接關(guān)系存儲(chǔ)于柱頂中心節(jié)點(diǎn),對(duì)于鋼筋混凝土雙梁則需要特殊的屬性設(shè)置才能將其輸出較為正確的計(jì)算模型,并在梁柱節(jié)點(diǎn)處形成剛臂,而實(shí)際上雙梁應(yīng)分別與柱固接連接,為此,本文對(duì)常見(jiàn)的三種雙梁節(jié)點(diǎn)三維設(shè)計(jì)導(dǎo)出模型進(jìn)行靜力分析計(jì)算,討論設(shè)置剛臂在雙梁與柱之間實(shí)現(xiàn)荷載傳遞的可行性。
由PDMS模型導(dǎo)出的計(jì)算模型主要有三種雙梁節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1):a為柱頂四根梁截面相等;b為柱頂一根梁截面稍大于其他三根;c為柱頂三根梁,單梁側(cè)梁截面稍大且不在同一縱向軸線上。
圖1 雙梁節(jié)點(diǎn)
參照某工程實(shí)例,計(jì)算模型的幾何參數(shù)取值見(jiàn)表1。
表1 幾何計(jì)算參數(shù)
柱和梁所采用的混凝土等級(jí)分別為C45 和C40,計(jì)算模型的材料參數(shù)取值見(jiàn)表2。
表2 材料計(jì)算參數(shù)
為簡(jiǎn)化分析計(jì)算,只研究梁上均布荷載作用下的內(nèi)力,且不考慮自重影響,假定相同截面梁所受荷載相同,梁350 mm×1 000 mm、350 mm×1 200 mm 和600mm×1 000mm 對(duì)應(yīng)的均布荷載分別為25kN/m、30kN/m 和50kN/m。
按照三種雙梁節(jié)點(diǎn),分別節(jié)選兩跨雙梁模型分析計(jì)算。在Midas軟件中,柱和梁模型均采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散,梁與柱相交節(jié)點(diǎn)處均以設(shè)置剛臂的方式進(jìn)行處理,柱底為固接。模型符合笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng):X軸沿 梁 縱 向,Y軸 沿 梁 橫 向,Z軸 沿 豎 直方向,以豎直向上為正,見(jiàn)圖2。
對(duì)應(yīng)Midas三種雙梁結(jié)構(gòu)模型,在Ansys軟件中分別建立對(duì)比模型。對(duì)比模型柱和梁均采用六面體Solid45實(shí)體單元進(jìn)行離散,柱底節(jié)點(diǎn)全部固接。各模型的坐標(biāo)原點(diǎn)均位于中柱底部中點(diǎn),并采用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng),符合右手定則:X軸沿梁橫向,Y軸沿豎直方向,以豎直向上為正;Z軸沿梁縱向,見(jiàn)圖3。施加荷載時(shí)將線荷載轉(zhuǎn)換為梁頂面的均布面荷載計(jì)算[2]。
圖2 雙梁結(jié)構(gòu)Midas計(jì)算模型
圖3 雙梁結(jié)構(gòu)Ansys計(jì)算模型
由于節(jié)點(diǎn)主要工作在彈性范圍內(nèi),故采用彈性三維有限元方法計(jì)算[3]。
經(jīng)計(jì)算,可得到三類節(jié)點(diǎn)模型關(guān)鍵部位的內(nèi)力值,梁、柱編號(hào)見(jiàn)圖3c,表3僅列出雙梁c的計(jì)算結(jié)果。
從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知,三類節(jié)點(diǎn)的最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在雙梁與柱連接處頂面,而最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在該處底面。柱在梁底截面的位置處主要為壓應(yīng)力,在實(shí)際工程中還要承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向荷載,因而該區(qū)段將表現(xiàn)出更大的壓應(yīng)力。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理,得到各類節(jié)點(diǎn)模型柱底反力值,以便與Midas計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖4為雙梁c的第一主應(yīng)力分布圖。
表3 雙梁c內(nèi)力Midas計(jì)算結(jié)果
圖4 雙梁c的第一主應(yīng)力分布圖
對(duì)于柱底豎直向上的支座反力,三類節(jié)點(diǎn)的Midas與Ansys計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 柱底反力對(duì)比
由表4中數(shù)據(jù)可知,Midas與Ansys計(jì)算結(jié)果的誤差均小于1%,滿足工程計(jì)算要求,從而說(shuō)明:雙梁與柱之間的剛臂能夠把梁承受的豎向荷載傳遞給柱。
對(duì)于雙梁節(jié)點(diǎn)處因梁平面內(nèi)彎曲引起的應(yīng)力情況,應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在梁端部,圖5的a和b分別為Midas和Ansys算得的雙梁c平面內(nèi)彎曲應(yīng)力分布圖。
圖5 雙梁c的平面內(nèi)彎曲應(yīng)力分布圖
按a、b、和c的節(jié)點(diǎn)類型順序雙梁平面內(nèi)彎曲應(yīng)力Midas計(jì)算結(jié)果為3.73 MPa、3.87 MPa和4.33 MPa;Ansys計(jì)算結(jié)果為3.47MPa、3.62MPa和4.36 MPa,分別相差7.5%、6.9%和-0.7%,說(shuō)明在節(jié)點(diǎn)核心處,應(yīng)力計(jì)算結(jié)果因剛臂設(shè)置以及梁端點(diǎn)在柱中心的原因產(chǎn)生了一定的誤差,a、b 梁Midas計(jì)算結(jié)果偏大,c梁Midas與Ansys計(jì)算結(jié)果的誤差小于1%。
由三維設(shè)計(jì)軟件傳遞給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件生成的三維計(jì)算模型中,以設(shè)置剛臂作為雙梁節(jié)點(diǎn)處梁柱連接的處理方式能夠?qū)崿F(xiàn)豎向荷載的傳遞,雖然梁端部最大彎曲應(yīng)力值a、b梁Midas計(jì)算結(jié)果偏大,但能夠滿足工程計(jì)算要求,所以設(shè)置剛臂的處理方式是可行的。
[1] 陳建成.雙梁式框架設(shè)計(jì)實(shí)例[J].福建建筑,1996,(4):16-17.
[2] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.
[3] 韓曉健,孫偉民,張素梅.鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)三維有限元受力分析[J].南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,(4):79-83.