ANSYS對建筑工程中立柱梁架的分析

◎ 長春理工大學 石廣豐 史國權

1 前言

ANSYS軟件作為通用有限元軟件，在結構分析中有著靈活的應用。首先，它可實現對結構的整體分析，任意設定荷載工況，并可完成復雜的荷載工況組合；在整體分析的同時，也可對感興趣的細部加密網格，得到較為精確的細部結果。也可將本工程感興趣的細部單獨建模，將結構整體分析的結果引入細部模型，將得到滿意的計算結果。其次，ANSYS軟件可以實現各種復雜的計算假定，可使計算結果更接近結構實際情況[1]。本文采用此軟件對建筑工程中立柱梁架進行結構靜力分析。

2 立柱梁架的有限元分析

立柱是建筑工程中常用到的支撐用具，為了不影響施工質量，在其底部設計的方鋼梁架對其起支撐作用。本文中的立柱和梁架采用殼體，厚度均為6mm，立柱尺寸為1975mm×320mm×320mm，斜交方鋼梁為1200mm×160mm×160mm，立柱和斜交方鋼梁之間靠一井字形固聯方鋼梁架連接。兩方鋼梁斜交處為支架，和斜交方鋼梁兩外端用鉸鏈連接于地面。立柱材料為鑄鐵，方鋼梁材料為45號鋼。整個結構如圖1，連接處采用焊接形式，質量較好可看成一體。在立柱頂端承受著54KN的靜壓力，其頂部靠斜交方鋼梁的左右兩側邊沿承受著不同的彎矩。本文主要分析立柱受載對方鋼梁架應力應變的影響，根據分析目的，我們將彎矩等效為沿立柱向下的載荷，左側為978.5N，右側為1107.2N ，結構自重45KN。

2.1 前處理

前處理部分有建模、加載和求解三方面的內容[2]。

2.1.1 導入模型

圖1 立柱梁架實體模型

建立的模型是否與實際結構相接近，決定了分析結果的準確與可靠程度。ANSYS自身有著較為強大三維建模能力和參數化功能，僅靠ANSYS的GUI(圖形界面)就可建立各種復雜的幾何模型。然而對于設計者來說，往往更易于使用三維建模軟件來建立實體模型，利用ANSYS強大的接口功能，導入后進行有限元分析。本文在CATIA環境下建立實體模型，利用ANSYS和CATIA模型的接口，將零件按坐標系關系設好后分別導入，再進行質量恢復得到（如圖1）。導入時要注意單位問題，ANSYS中的單位是使用者統一的，當然，最好設成國際單位制。

采用SOLID92單元對立柱梁架進行自由網格劃分，42793個單元，57934個節點。將立柱材料屬性設為EX=1.2E+11，PRXY=0.291， 將方鋼梁架材料設為EX=2E+11，PRXY=0.26。有限元模型如圖2。

2.1.2 加載

ANSYS分析中，加載的含義：一是對模型加約束條件，二是對模型加荷載條件。對方鋼梁架的鉸鏈處施加固定約束，在立柱頂部施加豎直向下的正壓力和自重壓力載荷，在靠斜交方鋼梁的立柱頂部兩邊沿上分別施加彎矩的等效集中載荷。

2.1.3 求解

在建模，劃分網格和加載工作完成后，就可進入求解器。根據需要選擇分析類型：靜力分析以求得荷載作用下的結構的應力、應變情況。

2.2 后處理

ANSYS的后處理可根據用戶的需要提取結果，得到分析后的位移、應力、應變等結果，并由此判斷結構是否能正常工作。

通過對立柱梁架的結構靜力應力應變分析，我們可以發現柱架所受最大Von Mises應力遠遠小于本身的許用應力，應變也比較小，可見立柱梁架是安全的。我們可以找到如斜交方鋼梁的外伸端鉸鏈處，立柱與方鋼梁架的點焊處和斜交方鋼梁與支板的交接處，它們是危險處。據此我們可以針對方鋼梁的材料和交接處的焊接質量，以及總體結構設計提出改進措施，以防止立柱梁架在危險的工況下或長時間的受力情況下，發生變形和危險，影響建筑質量。

圖3 立柱梁架應力圖

圖4 立柱梁架應變圖

表1 最大應力節點解

表2 最大應變節點解

我們可以就以上的危險處細分網格，重新計算分析，得出準確的結果，也可以利用ANSYS強大的后處理功能，了解到更多和更細節的信息，如支反力[3]。還可以針對更加復雜的工況，利用ANSYS不同的求解模塊對立柱梁架進行綜合分析，從而得到理想的結果。

3 結論

通過對立柱梁架的結構靜力分析，得出了應力應變分析結果，找出了危險處，使設計者對于改進設計和提出抗危險措施有了一定的理論依據。