基于PDMS結(jié)構(gòu)計算接口的主廠房雙梁節(jié)點(diǎn)三維分析

王云極，袁 泉

（中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021）

隨著三維設(shè)計技術(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)計工作，從而提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，已逐步成為電力設(shè)計行業(yè)競爭國際市場的一大優(yōu)勢。為滿足工藝布置設(shè)計的要求，土建結(jié)構(gòu)專業(yè)需要在PDMS三維設(shè)計軟件中建立完整準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)布置模型，用以協(xié)同設(shè)計，而如何將布置模型簡化為結(jié)構(gòu)計算模型則成為土建結(jié)構(gòu)專業(yè)三維布置設(shè)計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)計軟件傳遞給結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，這樣既滿足三維設(shè)計平臺協(xié)同設(shè)計的需求，又通過數(shù)據(jù)貫通保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(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)計要求［1］，并通常簡化為一根單梁來建立計算模型。在PDMS三維設(shè)計軟件中，梁與柱的連接關(guān)系存儲于柱頂中心節(jié)點(diǎn)，對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，本文對常見的三種雙梁節(jié)點(diǎn)三維設(shè)計導(dǎo)出模型進(jìn)行靜力分析計算，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。

1 結(jié)構(gòu)計算模型

1.1 節(jié)點(diǎn)類型

由PDMS模型導(dǎo)出的計算模型主要有三種雙梁節(jié)點(diǎn)（見圖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)

1.2 計算參數(shù)

參照某工程實(shí)例，計算模型的幾何參數(shù)取值見表1。

表1 幾何計算參數(shù)

柱和梁所采用的混凝土等級分別為C45 和C40，計算模型的材料參數(shù)取值見表2。

表2 材料計算參數(shù)

為簡化分析計算，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 對應(yīng)的均布荷載分別為25kN/m、30kN/m 和50kN/m。

1.3 Midas計算模型

按照三種雙梁節(jié)點(diǎn)，分別節(jié)選兩跨雙梁模型分析計算。在Midas軟件中，柱和梁模型均采用三維梁單元進(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，見圖2。

1.4 Ansys計算模型

對應(yīng)Midas三種雙梁結(jié)構(gòu)模型，在Ansys軟件中分別建立對比模型。對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，見圖3。施加荷載時將線荷載轉(zhuǎn)換為梁頂面的均布面荷載計算［2］。

圖2 雙梁結(jié)構(gòu)Midas計算模型

圖3 雙梁結(jié)構(gòu)Ansys計算模型

2 靜力計算結(jié)果

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算［3］。

2.1 Midas計算結(jié)果

經(jīng)計算，可得到三類節(jié)點(diǎn)模型關(guān)鍵部位的內(nèi)力值，梁、柱編號見圖3c，表3僅列出雙梁c的計算結(jié)果。

2.2 Ansys計算結(jié)果

從應(yīng)力計算結(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。通過對計算結(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計算結(jié)果進(jìn)行對比。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計算結(jié)果

圖4 雙梁c的第一主應(yīng)力分布圖

2.3 計算結(jié)果對比

對于柱底豎直向上的支座反力，三類節(jié)點(diǎn)的Midas與Ansys計算結(jié)果見表4。

表4 柱底反力對比

由表4中數(shù)據(jù)可知，Midas與Ansys計算結(jié)果的誤差均小于1%，滿足工程計算要求，從而說明：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計算結(jié)果為3.73 MPa、3.87 MPa和4.33 MPa；Ansys計算結(jié)果為3.47MPa、3.62MPa和4.36 MPa，分別相差7.5%、6.9%和－0.7%，說明在節(jié)點(diǎn)核心處，應(yīng)力計算結(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計算結(jié)果偏大，c梁Midas與Ansys計算結(jié)果的誤差小于1%。

3 結(jié)束語

由三維設(shè)計軟件傳遞給結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件生成的三維計算模型中，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計算結(jié)果偏大，但能夠滿足工程計算要求，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，2001，（4）：79－83.