静力结构

2024-07-10

静力结构(共11篇)

静力结构 篇1

在长期抗御地震灾害中, 人们已经认识到工程结构抗震试验是研究工程结构抗震性能的一个重要方面。工程结构抗震试验可分为两大类, 即工程抗震静力试验和工程结构抗震动力试验。而在试验室经常进行的主要有拟静力试验方法、拟动力试验方法和地震模拟震动台试验方法, 前两种即为我们所常采用的工程抗震静力试验方法。

1 拟静力试验

拟静力试验方法几乎可以用于各种工程结构或构件的抗震性能的研究, 是目前在结构 (或构件) 抗震性能研究中应用最广泛的一种试验方法。它是以一定的荷载或位移作为控制值对试件进行低周反复加载, , 以获得结构非线性的荷载--变形特性, 故又称为“低周反复加载试验”或“恢复力特性试验”。这种试验方法是在二十世纪六、七十年代基于结构非线性地震反应分析的要求提出的。应用该试验方法可以最大限度地利用试件提供的各种信息.其根本目的是对结构在荷载作用下的基本性能进行深入研究, 进而建立恢复力模型和承载力计算公式, 探讨结构的破坏机制, 并改进结构的抗震构造措施。

1.1 试验设备与加载装置

对工程结构进行拟静力试验常用的设备有加载设备、反力墙、试验台座、荷载架等。其中加载设备近年来谁着经济的发展和科学技术水平的提高, 结构加载设备有了质的改变, 目前许多结构试验室主要采用电液伺服加载系统进行结构的拟静力试验加载, 并采用计算机进行试验控制和数据采集。

1.2 单向反复加载制度

目前国内外较为普遍采用的单向 (一维) 反复加载制度主要有力控制加载、位移控制加载、力—位移混合控制加载。

1.2.1 位移控制加载

位移控制加载是在加载过程中以位移 (包括线位移、角位移、曲率或应变等) 作为控制值或以屈服位移的倍数作为控制值, 按一定的位移增幅进行循环加载。当试件具有明确屈服点时, 一般都以屈服位移的倍数为控制值。当试件不决有明确屈服点时 (如轴压比较大的柱) 或干脆无屈服点时 (如无筋砌体) , 则由研究者根据知识或经验规定一个合适的位移标准值来控制试验加载。在位移控制加载中, 根据位移控制的幅值不同, 又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载。

变幅位移控制加载多用于研究构件的恢复力特性, 并建立恢复力模型。一般, 每一级位移幅值下循环二至三次, 由试验测得的滞回曲线建立构件的恢复力模型。等幅位移控制加载主要用于确定构件在特定位移幅值下的特定性能, 例如极限滞回耗能、强度降低率和刚度退化规律等, 混合位移控制加载可以综合地研究构件的性能, 其中包括等幅部分的强度和刚度变化, 以及在变幅部分特别是大变形增长情况下强度和耗能能力的变化。在上述三种位移控制加载制度中, 以变幅等幅混合加载方案使用得最多。

1.2.2 力控制加载

力控制加载是在使用加载过程中以力作为控制值, 按一定的力幅值进行循环加载, 因为试件屈服后难以控制加载的力, 所以这种加载制度较少单独使用。

1.2.3 力—位移混合加载

这种加载制度是先以力控制进行加载, 当试件达到屈服状态时改用位移控制, 一直至试件破坏, 《建筑抗震试验方法规程》 (GBJ101-96) 规定:试件屈服前, 应采用荷载控制并分级加载, 接近开裂和屈服荷载前宜减少级差加载;试件屈服后应采用变形控制, 变形值应取屈服时试件的最大位移值, 并以该位移的倍数为级差进行控制加载;施加反复荷载的次数应根据试验目的确定, 屈服前每级荷载可反复一次, 屈服以后应反复三次。

1.2.4 多点同步加载

多层房屋或多层框架结构是经常遇到的试验对象。这样的试件就需要用多个加载器加载, 如图所示。由于地震荷载在结构上的作用常常近似成为按倒三角形分布的, 所以各质点的加载应由上到下也要按倒三角形分布加载。当结构进入塑性状态后特别是在下降阶段控制作用力是很困难的, 所以目前的控制方法是选择一个上部的电液伺服加载器为主控加载器。主控加载器采用位移控制模式但监测的是作用力的大小, 其余的加载器用力控制模式, 作用力数值的大小根据主控加载器量测值的大小按比例确定。现在的主要问题是如何保证几个加载器的同步, 对于多质点体系, 各加载器的作用是耦联的, 一个加载器力值的改变将影响到其他加载器作用力的变化。解决这个问题有两种途径, 这里针对下图中三质点的结构体系来说明。

一种方法称之为“模控方法”即把3号加载器的力信号乘上比例系数后直接作为2号加载器和1号加载器的力控制命令信号。由于模控控制过程是连续反馈的, 所以当3号加载时, 2号加载器和1号加载器将迅速地将3号加载器的量测力值动作。这样计算机只控制3号加载器的加载, 对2号和1号加载器采集力和位移信号并进行安全监视。

另一种方法称为“数控方法”, 是将3号加载器作为主控加载器采用位移控制, 另外两个加载器作为从动加载器采用力控制模式。对于主控加载器采用较小的位移步长进行加载, 由于三个加载器作用力是耦联的。所以, 在主控加载器的每一个加载步长之内, 两个从动加载器的力控制加载需经几次调整迭代, 直到满足给定的误差。然后主控加载器进行下一步的加载。

1.2.5 双向反复加载制度

为了研究地震对结构构件的空间组合效应, 克服采用在结构构件单方向 (平面内) 加载时不考虑另一方向 (平面外) 地震力同时作用对结构影响的局限性, 可在x、y两个主轴方向 (二维) 同时施加低周反复荷载。例如, 对框架柱或压杆的空间受力和框架梁柱节点在两个主轴方向所在平面内采用梁端加载方案加反复荷宰试验时, 可采用双向同步或非同步的加载制度。

(1) x、y轴双向同步加载

与单向反复加载相同, 低周反复荷载作用在与构件截面主轴成α角的方向做斜向加载, 使x、y两个主轴的方向的分量同步作用。

反复加载同样可以采用位移控制、力控制和两者混合控制的加载制度。

(2) x、y轴双向非同步加载

非同步加载是在构件截面的x、y两个主轴方向分别施加低周反复荷载。由于x、y两个方向可以不同步地先后或交替加载。

1.3 优缺点

拟静力试验与其他结构抗震试验相比, 突出优点是它的经济性和实用性, 从而它的应用具有广泛性。同时, 对试验设备和设施的要求比较低, 这也是一个优点。但由于拟静力试验中没有考虑应变速率的影响, 这又是它的不足。

2 拟动力试验

2.1 拟动力试验的基本概念

拟静力加载试验方法虽然是目前工程结构中应用最为广泛的试验方法, 可以最大限度地获得试件的刚度、承载力、变形和耗能等信息, 但是它不能模拟结构在实际地震作用下的反应。虽然地震模拟震动台试验是最理想的再现地震动和结构反应的试验方法, 高精度的多自由度地震模拟震动台的建造和发展为研究结构弹塑性地震反应提供了有效的手段, 但是对于大比例模型结构或构件, 需要有大型的地震模拟震动台, 设备投资很大, 从而影响了许多大型结构进行地震模拟试验。正是由于地震模拟震动台承载能力的限制, 一般的震动台试验只能进行小尺寸的模型试验;而小尺寸结构模型的动力相似律很难满足要求。尤其是在弹塑性范围内, 试验结果往往难以推算到原型结构中去, 这也是地震模拟台试验的不足之处, 因此限制了它的应用。虽然计算机技术有了迅速的发展, 结构的理论分析和计算水平有了很大的提高, 但是对于结构地震作用下的弹塑性响应计算, 需要事先给出结构的恢复力模型, 而这种恢复力模型的选择和参数确定是目前结构理论中还没解决好的问题, 尤其对于具有复杂形体和构造的结构体系更是如此。拟动力试验方法吸收了拟静力加载试验和地震模拟振动台试验两种方法的优点, 同时又考虑了结构理论分析和计算的特色, 可以模拟大型复杂结构的地震反应, 在工程结构抗震试验方面得到了广泛的应用。同时, 拟动力试验方法本身的研究也取得了重大进展, 特别是近年来, 在概念、方法、技术和设备等方面都与最初阶段的拟动力试验有了很大的不同, 应用领域也从最初的研究一般建筑结构扩展到了研究土-结构相互作用、桥梁结构、多维多点结构地震输入和设备抗震等方面。

用于工程结构弹塑性地震反应的拟动力试验系统产生于1974年。当初其目的在于研究目前描述结构或构件恢复力特性的数学模型是否正确, 进一步了解难以用数学公式表达恢复力特性的结构地震反应。此项试验获得了成功, 更为重要的是它标志着工程结构抗震试验方法的重大进展。从此, 拟动力试验方法在工程结构抗震试验研究中确立了它不可替代的地位。

与理论计算相比, 它无需对工程结构作任何假定就能获得结构体系的真实地震反应特征;而与拟静力试验和地震模拟振动台试验相比, 它既有拟静力试验那样经济方便的特点, 又具有振动台那样真实模拟地震作用的能力。

拟动力试验技术把电液伺服试验装置与计算机控制系统结合起来, 利用加载试验给出结构恢复力的实际数据, 利用计算机数据分析技术给出加载试验的逐步控制数据, 从而为原型结构的模拟地震试验开辟了一条新途径。与拟静力试验相比, 拟动力试验的试验周期缩短, 并且由于采用地震动时程作为加载制度, 因此, 试验结果能够良好地指示结构的地震反应过程, 值得指出的是, 尽管对于单层或双层框架结构可以采用更接近实际的位移控制制度, 但对于大型结构, 更实用的是将多自由度体系改变为等效单自由度体系进行联机试验。即对加载力沿高度的分布作出某种假定 (例如倒三角形分布) , 而仅对高度上某一点的加载器按位移控制, 并通过计算机联机控制实现, 其余各点的加载则按上述力分布假定按荷载控制加载器。80年代后, 日美合作进行的七层钢筋混凝土原型结构拟动力试验, 就是采用这种等效技术。拟动力试验技术中的控制难点在于计算误差的扩散, 需进一步研究。

结构抗震静力试验方法是我们研究工程结构抗震性能的常用的重要方法, 本文讨论的是目前实验室常采用的两种方法。但作为研究, 除上述各种试验类型外, 近年来还提出了许多新的模拟地震试验的思想。但目前见诸报道的试验很少, 具有深入研究价值的成功先例更少。但作为方向, 这方面工作是有发展潜力的。

摘要:工程结构抗震试验可分为两大类, 即工程抗震静力试验和工程结构抗震动力试验。而在试验室经常进行的主要有拟静力试验方法、拟动力试验方法.

关键词:抗震,拟静力试验,拟动力试验

参考文献

[1]李忠献.工程结构试验理论与技术.天津大学出版社, 2004.

[2]李顺国, 王学国.工程抗震试验技术现状.国外建材科技, 2003.

[3]朱伯龙.结构抗震试验.北京:地震出版社, 1989.

静力结构 篇2

摘 要:静力弹塑性分析方法不仅能够很好的反应结构的整体变形,还能在结构产生侧向位移的过程中,计算出结构构件的内力和变形,观察其全过程变化,判别结构和构件的破坏状态。本文通过此方法用ETABS程序对某8层钢筋混凝土结构进行静力弹塑性分析,并根据所得的分析结果评价其抗震性能。

关键词:静力弹塑性分析;ETABS;塑性铰

引言

F阶段我国采用的是“二阶段三水准”的设计方法。第一阶段设计时,按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力以及在小震作用下验算结构的弹性变形。第二阶段设计时,在大震作用下验算结构的弹塑性变形。在强震作用下,结构却常常会进入塑性阶段,如何在结构设计规范的基础上进一步确定结构的抗震性能成为关键。Pushover分析方法已被列入我国《建筑结构抗震设计规范》作为结构弹塑性变形验算方法之一。目前很多结构软件都增加了pushover分析的功能,在本文中,笔者将使用ETABS程序对某一钢筋混凝土框架结构进行静力弹塑性分析。

1.静力弹塑性分析

静力弹塑性分析方法(nonlinear static procedure),也称pushover分析方法,是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种方法。静力非线性分析是结构分析模型在沿结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下,直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止,控制点一般指建筑物顶层的形心位置;目标位移为建筑物在设计地震力作用下的最大变形。

1.1 静力弹塑性分析的基本原理

静力弹塑性分析方法作为一种结构非线性响应的简化设计方法,并没有特别严密的理论基础。它的目标是获得结构在遭遇的地震作用下结构构件内力、结构整体或局部变形等。它基于以下两个基本假定:①实际工程中的多自由度结构体系的地震响应与该结构等效的单自由度体系相关,这意味着结构的地震响应仅由第一阵型控制。②结构沿高度的变形由形状向量( )表示,在整个地震反应过程中,无论侧移有多大,结构侧移的位移形状向量( )保持不变。

尽管上述这两个假定在理论上是不完全正确的,但已有的研究表明[1]对于地震反应以第一阵型为主的结构,其最大地震反应,该方法能得到较为合理的结果。

1.2 静力弹塑性分析方法的步骤

Pushover分析法本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析法,它是按一定的水平荷载加载方式,对结构施加单调递增的水平荷载,逐步将结构推至一个给定的.目标位移来研究分析结构的非线性性能,从而判断结构构件的变形是否满足设计要求。采用pushover方法进行结构的非线性地震反应分析,得到结构的荷载-位移相关曲线以后,按反应谱形式给出对应于所考察地震的性能要求,将二者转化到同一个加速度-位移反应谱坐标系中,形成能力谱和需求谱,通过反复迭代计算可以得到两条谱的交点,即性能控制点,该点对应的结构形态若处于目标性能范围内,即可判断为达到了所设定的目标。

1.2.1 pushover曲线的计算

在结构上施加静力荷载,进行pushover分析,直至结构倒塌或整体的刚度矩阵| k |<0,可以得到结构的pushover曲线,基底剪力 -顶点位移 曲线,如图1所示。

1.2.2建立能力谱曲线

对不很高的建筑结构,地震反应以第一振型为主,可以将原结构等效为一个单自由度体系,因此,可以将pushover分析曲线转换为谱加速度 谱位移 (ADRS谱)的关系曲线,即能力谱曲线(capacity spectrum),如图2所示。

1.2.3 建立需求谱曲线

将典型的(阻尼比为5%)加速度反应谱转化为需求谱曲线,按下式转化为ADRS谱曲线,如图3所示。

1.2.4性能点的确定

将能力谱曲线和某一水准地震的需求谱画在同一坐标系中,两曲线的交点即为性能点。性能点所对应的位移即为等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移。通过性能点可由(1)式转换为原结构的顶点位移,根据该位移在原结构 - 曲线的位置,即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面的曲率、总侧移及层间侧移等,来综合检验结构的抗震能力。

若两曲线没有交点,说明结构的抗震能力不足,需要从新设计。

2.ETABS中的静力弹塑性分析

2.1 建立模型

在ETABS中输入设计地震参数、荷载、几何及材料信息;建立结构计算模型且进行各种荷载工况组合下的内力分析并配筋。建模时,梁柱用框架单元模拟,现浇板用壳单元模拟,外墙采用虚墙模拟。

2.2塑性铰

在ETABS当中给框架单元提供了弯矩铰(M3)、剪力铰(V2)、轴力铰(P)、压弯铰(PMM)四种塑性铰。假设框架柱的塑性铰出现在柱的两端,铰的类型为轴力和弯矩的耦合,一般定义压弯铰(PMM);框架梁塑性铰出现在梁的两端,铰的类型定义为弯矩铰(M3);塑性铰的本构关系如图4所示,力―位移曲线[2]如图5所示。

ATC―40将房屋遭受地震后,可能出现的状态主要分为IO(Immediate Occupancy)立即使用;LS(Life Safety)生命安全;CP(Collapse Prevention)防止倒塌等状态,并给出了在这几种相应状态下的塑性机制,其中A点总是原点;B点出现塑性铰,代表屈服。无论对点B指定何种变形值,在上升到点B之前塑性铰没有形成,无塑性变形,只有超过点B的塑性变形才会被显示;C点为倒塌点,代表pushover分析的极限承载力;D点代表pushover分析的残余强度;E点代表完全失效。IO,LS,CP在图中表示三种状态对应的性能点,且每个点的横坐标即为相应的弹塑性位移限制。

2.3侧向加载工况

ETABS中提供了三种侧向加载模式:自定义分布、模态荷载分布和均匀加速度分布。

事实上,任何一种侧向力分布模式都不可能反应结构的全部变形和受力要求。所以,应考虑使用两种以上的侧向荷载模式进行计算。本算例进行pushover分析所选用的两个侧向加载模式为:(1)重力+阵型1,相当于倒三角分布侧向荷载。(2)重力+y向加速度,相当于均匀分布侧向荷载。

2.4性能评价

经过静力弹塑性分析,得到性能点以后根据该点所对应的结构变形对下面两点进行评价:①层间位移角是否满足规范规定的弹塑性层间位移角限值的要求,性能曲线是否满足要求;②梁、柱等主要构件塑性铰的出铰情况是否满足“强柱弱梁”的要求。

3.实例分析

3.1工程概况

此结构为规则的8层框架结构,抗震设防烈为8度,设计分组为第三组,Ⅱ类场地土;其中底层层高4.5 ,其余层层高3.3 。楼面活荷载: / ;楼面恒荷载: / ;砼强度等级:C35;框架梁截面为0.3 0.6 和0.25 0.4 ,框架柱截面为0.65 0.65 ,现浇混凝土板厚为110 ,结构平面图如图6所示。

3.2 分析结果

利用ETABS对该结构进行各种工况下的分析后,得到结构的梁、柱构件的配筋结果,弹塑性层间位移角的限值均满足规范要求,本文主要研究该框架结构在8(0.2g)度地区,地震情况下的pushover分析。笔者将从推覆过程中出铰情况,结构性能等方面进行分析。

3.2.1 结构性能曲线

通过反复迭代计算可以得到两条谱的交点,即性能控制点,该点对应的结构状态若处于目标性能范围内,即可判断为达到了所设定的目标。得到的结构性能曲线如图7。

红线为需求谱,绿线为能力谱,两线交点即为性能点,图7中显示性能点处于能力谱的弹性阶段,说明该结构性能良好。

3.2.2 出铰情况分析

图8、9为两种加载工况下?轴推覆过程中塑性铰出铰情况,首先大部分塑性铰都出现在梁端上,随着侧向位移的加大,塑性铰从下往上, 出现在柱的端部。由此可以看出和抗震设计“强柱弱梁”的要求相吻合。

层间位移角是否满足规范规定的弹

4.结语

能力谱法是静力弹塑性pushover分析中常用方法之一,本文U述了静力弹塑性分析(pushover)方法的基本原理和如何在etabs中实现该方法,并结合ETABS对某8层框架结构进行了分析,表明,该方法具有结构操作简单、概念清晰的优点,通过对结构性能点处的位移、位移角的计算及对塑性铰的产生、发展的观察,并根据其判断结构的薄弱部位,综合评价结构的抗震性能,其缺点是:Pushover方法中施加在结构上的侧向分布力是等效静态荷载,且不同的侧向力分布方式对结构模型的计算结果会产生一定的影响;框架非线性塑性铰性质的自定义,还需要结合静力弹塑性分析原理做进一步改善。

参考文献

[1] Helmut Krawinkler SENEVIRATNA G D P K .pros and cons of push-over analysis of seismic performance evaluation[j],Engineering Structures,,20;454-464.

[2] 北京金土木软件技术有限公司.中国建筑标准设计研究院.ETABS中文版使用指南[M].北京:中国建筑工业出版社,.

[3] GB50011―,建筑抗震规范[S].

[4] 薛彦涛、徐培福等.静力弹塑性分析(pushover)方法及工程应用.

进入静力世界 篇3

潘应辑:水肺是借助气瓶提供的空气在水中呼吸的运动,并持续在水中停留一段时间,但因减压的限制因素,对时间、深度都有特定的限制。自由潜水则是水面吸气后憋气凭借自身的能力下潜,在水中可以停留憋气的长短主要看个人的生理状况与技巧,并且下潜的深度更是可以无限制,而形成一种自我的极限挑战。

两者就技术层面来说,水肺潜水在技巧上有很大的宽容度,在某方面容错机制比较大。而自由潜水必须集合知识与技巧于一身,就像个系统工程,其中一项如果出错,那就无法突破甚至造成危险,因此宽容度低、几乎没有容错机制。

举个例,水肺潜水做耳压平衡可以控制下潜速度慢慢做,做不起来可以上升到较浅的地方来做,而自由潜水是持续下潜,无法停下来做耳压;另外是水肺的耳压平衡可以有三到四种技法可以应用,而自由潜水就只有惟一的一种耳压平衡法,這个平衡法你如果不会就没办法进行自由潜水。

如果要我用简短的话来总结,我会说:“水肺是种亲民的休闲娱乐,而自由潜是一种优雅的行为艺术”。

OUTDOOR:现在有很多年轻人开始学习水肺潜水,甚至是自由潜水,您对他们有什么建议呢?

潘应辑:所有学习水肺或自由潜的人都必须知道,想要成功学习一项技能都必须投入时间、精神与经济。有了以上的前提,你需要找到正确的学习方法。在我们SSI的教育理念就提到:正确的知识、精实的技巧、适当的装备以及充足的经验。这就是任何人要学习潜水的必要条件,这种方法适用在SSI的水肺以及自由潜等所有的培训课程,它的理念也适用于任何学习。因此找到良好的教学单位与教练是非常重要的,你必须确定他们有能力,并且可以提供上述的学习条件。

OUTDOOR:您认为自由潜水这项运动如何去保障安全呢?

潘应辑:延续着之前的话题,自由潜类似系统工程,知识内涵与技术层面的各项环节缺一不可。因此不可以草率或以苟且的心态来面对,必须以严肃的态度并保持愉快的心情来学习或从事这项活动。在生活上,平常需要保持运动习惯,游泳是最好的,并且经常练习自由潜的各项技能、并获取更多的相关知识。在实际从事活动时必须严格遵守潜伴制度,只要是涉及到下水操作,即便是练习,旁边也一定要有人守护,而守护者最好是与你实力相当或能力超越你的,当然自由潜教练是绝佳潜伴但不可多得。另外要注意的就是不要过度去超越自己的极限,自由潜水的技能发展是必须循序渐进的,重点在渐进别想着要突飞猛进,只要不去逾越这些规范自由潜是很安全的。这项活动被列为最危险极限运动之一,那指的是竞赛或猎鱼性质的自由潜。

OUTDOOR:您如何看待把自由潜水用于休闲潜水这样一个定位?

潘应辑:这项活动在过往都是以竞赛与猎鱼潜水为主体,因此它的危险性已被过度解释或定义。如果只是单纯想去亲近鱼类,或享受自由自在潜游于湛蓝大海的那种奔放,你绝对不会像竞赛或狩猎那样的拼斗。自由潜活动的历史很久远,但是自由潜的培训教育历史其实很年轻,在之前并没有科学系统化的培训模式,大都是一些老手,以经验法则与有限的科学数据在教学,直到SSI 在2009年在内部正式推出这项系统化的培训模块,这才开始有更多人接触到这项以前令人只敢远观的运动。我们的系统化培训,可以引导一般人快速学习到正确的知识与技巧,并且建立安全知识与模式。也能够让更多人知道学习自由潜水不一定要去拼斗、竞赛,它可以让你享受到在水中游刃有余的自由自在,而自由潜的美感是一种极其优雅的行为艺术,每一位自由潜水者都有机会成为这项活动的艺术家。

OUTDOOR:您如何看待自由潜水在中国的发展?

潘应辑:我曾非常犹豫要不要把这项运动和系统化的培训引入中国内地,但长时间观察内地的水肺潜水培训以及发展,也从网络上看到一些自由潜的相关讨论,其中有许多非常荒诞怪异的现象与观念,这都一再让我对国人从事潜水活动以及产业的发展感到忧虑。因此也促成我下定决心于2011年11月将这项活动和SSI系统化自由潜水培训引进国内,这基于几项原因,一是国内已经有许多人正以土法炼钢的模式在学习自由潜,耗日费时不得突破,并且把自己暴露在极度的危险之下而不自知。第二是自由潜可以提升水肺技术,因为它是所有潜水类型最原始的关键技术,学会自由潜肯定会让水肺潜水的能力增强。

钢框—桁架组合结构的静力分析 篇4

轻型钢框架结构体系是采用型钢做框架梁、框架柱、次梁等构件,在一定跨度范围内,该结构形式较之传统的混凝土结构有明显的综合优势;同时随之结构的自重明显减轻,尤其是对于软土地基条件下的结构,基础造价会明显减少。由于轻钢结构的结构形式简单,其造价主要取决于用钢量的大小。当跨度较大的时候,钢框架结构中的框架梁的截面会较大,钢框—桁架组合结构是基于对钢框架的研究与分析,将钢框架中的次梁简化为空腹桁架而得到的一种新的轻型钢结构形式。由于用钢量大小直接与设计方案相关,本文通过对一个37.5 m×12 m的建筑分别采用钢框架结构与钢框—桁架组合结构两种方案设计分析,初步阐述钢框—桁架组合结构的特点。

1 算例分析

1.1 钢框架计算模型

会议室为37.5 m×12 m矩形平面,采用12 m×7.5 m的柱网。框架梁采用500 mm×200 mm×11 mm×17 mm的H型钢,次梁采用500 mm×200 mm×10 mm×16 mm的H型钢,框架柱采用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm的H型钢,板采用120 mm的钢筋混凝土板。

荷载计算:

恒载:4.67 kN/m2;活载:上人屋面:2.0 kN/m2;暂考虑1.2恒载+1.4活载=1.2×4.67+1.4×2.0=8.40 kN/m2。

应用通用有限元软件ANSYS中建立模型,采用弹性算法,分别采用Beam188单元模拟梁和柱,Shell63单元模拟混凝土板,钢材的本构关系均采用各向同性的理想弹塑性模型。

1.2 钢框—桁架计算模型

采用同样的柱网,把横向次梁换成桁架,桁架采用150 mm×150 mm×5 mm方钢管,框架梁采用500 mm×200 mm×11 mm×17 mm的H型钢,框架柱采用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm的H型钢,板用70 mm的混凝土板。三维示意模型如图1所示,因该结构形式采用的混凝土板较薄恒载减少了31.25 kN/m2,恒载为4.67-1.25=3.42 kN/m2,活载取2.0 kN/m2。

考虑荷载组合:1.2恒载+1.4活载=1.2×3.42+1.4×2.0=6.90 kN/m2。

采用Beam188单元模拟框架梁、框架柱以及空腹桁架,用Shell63单元模拟板,分析得到结构的竖向位移。

2 构造处理

2.1 节点构造

整体结构是通过节点将各个独立的构件连接成一个有机整体的。因此,结构能否按设计预期的要求来承受外部荷载,节点的受力性能至关重要。本算例需要考虑的是桁架与框架梁的节点处理,以及钢框架柱与钢筋混凝土基础的节点处理。

桁架与框架梁的节点设计为铰接,采用上弦支撑的形式。上弦支撑使得荷载通过桁架传给框架上翼缘,要适当增加节点处的尺寸,以满足强度需求。另外对节点处的框架梁进行局部加肋,以防止框架梁的局部压屈(如图2所示)。

框架梁与框架柱的节点处理参考钢框架的设计,在此不再赘述。

2.2 支撑

为增强结构整体的抗侧刚度,设置侧向支撑,与框架共同抵抗水平力。横向有12根框架柱抵抗横向水平力作用,考虑在两端增设横向支撑;框架柱在抵抗纵向水平力时,沿弱轴受弯,对纵向刚度的贡献不大,因此考虑增设纵向支撑。

在水平荷载作用下,支撑对提高结构整体刚度有很大贡献,有利于结构的整体稳定性。因此支撑作为抗侧力的一道防线显得尤其重要。支撑结构中应用最为普遍的是交叉支撑和人字形支撑。在轻钢结构中加上支撑结构,分析其对整体结构的抗侧力贡献,对节点进行相应的构造处理。

3 对比分析

由位移云图对比可知,钢框架的最大竖向位移为27.269 mm,而钢框—桁架的最大竖向位移为26.719 mm,比钢框架的最大竖向位移少近0.55 mm,相差不大。将这两种结构形式的板厚、型钢用量单方板的钢筋量单方总用钢量以及屋盖自重进行比较见表1。

由表1的数据可知:1)钢框—桁架组合结构中板的跨度比钢框架要小,因此板厚取值较钢框架的板厚大为减小;2)板厚的减小,直接导致结构荷载下降26.3%,尤其是在软土地基条件下,结构自重的减轻对基础造价的影响是很大的,该结构形式具有较强的竞争力;3)这两种结构经比较,钢框—桁架结构的单方用钢量较钢框架结构下降近16%,在经济性上也有很大优势;4)桁架本身是一种格构式受弯构件,由于其平面内的刚度较大,较H型钢梁具有一定优势;同时该结构形式本身可体现建筑的结构美感,不用做太多装修,即使装修,桁架的下弦杆也可充当龙骨,在一定程度上节约层高。

4 结语

本文主要是提出采用钢桁架替代传统的钢框架的横向型钢梁。为了体现钢框—桁架组合结构的特点并观察横向型钢梁由空腹桁架替代后的效果,本文对钢框—桁架组合结构进行静力分析时应用有限元软件对一个等跨等柱距的算例分别采用钢框架和钢框—桁架两种结构形式进行建模分析。通过比较,钢框—桁架组合结构具有较明显的优势。此外,本文提出了钢框—桁架组合结构的构造措施以及相关节点的处理。但要应用于工程实践还需要对其动力特性进行深入讨论,尤其是在地震区,要进行抗震性能的验算;在用ANSYS分析钢框—桁架时板与桁架是协同工作的,在施工过程中要保证板与桁架上弦的可靠连接,保证板与桁架的共同工作;另外对于框架与空腹桁架的节点要进行处理以保证二者的刚性连接

摘要:介绍了钢框—桁架组合结构是一种新型的钢—混凝土组合结构形式,应用有限元法对钢框架与钢框—桁架组合结构进行静力分析,通过比较得到该结构形式在自重、用钢量等方面的优势,并对节点及支撑提出构造处理措施。

关键词:空腹桁架,钢框架,钢框—桁架结构,ANSYS分析

参考文献

[1]马克俭,张华刚,郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践[M].北京:人民交通出版社,2006.

[2]沈祖炎,陈以一,陈扬骥.房屋钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]马怀忠,王天贤.钢混凝土组合结构[M].北京:中国建材工业出版社,2006.

[4]肖国威.组合梁钢框架计算分析[J].上海宝钢工程设计,2001(2):8-10.

[5]徐昕,苏恒.空腹桁架结构在低周反复荷载作用下的试验研究[J].工程技术,2009(33):54-56.

浅析静力压桩施工监控 篇5

关键词:静力压桩 施工质量 监控

1 静力压桩监理控制要点

1.1 进行“三审” ①审查桩基施工组织设计。②审查桩基施工单位资质和人员上岗证。③审查材料和设备。

1.2 桩位监控:①桩位放线复核:水准点的正确可靠性。②进行桩位复核检查验收。③检查控制桩桩位偏差。

1.3 成品桩质量监控: ①进场成品桩外观检查,②强度检查(桩长、直径、壁厚)(审查厂家提供的质量证明文件,出厂合格证、)③接桩用焊条产品合格证书。

1.4 压桩施工监控:①压桩机械性能。②压桩压力。③桩垂直度。④接桩的间歇时间。⑤接桩焊接质量。⑥压入深度。⑦桩位偏差。⑧承载力试验。⑨桩体质量检验。⑩桩顶标高等。检查桩基施工隐蔽工程验收记录,对桩的数量、规格、质量进行监控。

2 监控方法、措施及手段

2.1 控制方法 采取事前控制、事中控制和事后控制相结合的形式。注重事前控制,以发挥预控作用,防患于未然;严格事中控制,每天巡视检查,并安排监理工程师24小时值班旁站监理,实时监控,把问题消灭在萌芽状态,避免造成既成事实而积重难返;做好事后控制;绝不放过一个安全隐患、质量隐患或不合格项,严把质量验收关。

2.2 控制措施 采取巡视、旁站、平行检验等方法,使静力压桩工程中所用的材料、构配件和设备的性能、质量、施工质量均符合施工图设计文件、规范和施工合同的要求。

2.3 控制手段 即“一说、二写、三停工、四报告”。一说就是监理发现的问题,先口头指出,要求施工单位改正;二写就是对监理口头指出的问题,若施工单位没有改正,则签发监理工程师通知单(或者安全隐患通知单),要求施工单位整改;三停工就是在施工单位仍未整改、继续施工的情况下,征得建设单位同意,总监签发停工令,责令施工单位暂停施工立即整改;四报告就是施工单位拒不整改和停工时,及时向当地建设行政主管部门报告,同时将情况报告建设单位。

3 监控技术质量关键要求

3.1 施工准备阶段监理工作:

3.1.1 认真理解设计图纸,掌握设计意图,组织设计单位、施工单位进行图纸会审及设计交底工作。

3.1.2 根据现场地质勘探报告了解和掌握工程地质、土层分布和地下水位情况。

3.1.3 审查施工单位编制的施工组织设计,并要求施工单位进行施工部署、平面布置、区段划分,选定施工机具、配套设备,检查特种作业人员持证情况。

3.1.4 要求施工单位按设计地面标高进行场地整平,设置临时设施,修建施工便道,将施工机具设备运进现场并安装维修试运转、检查机械、吊具、工具是否完好、齐全。

3.1.5 参与和复核施工单位进行的施工放线,定出桩基线,桩位、高程控制点,并督促设置和保护高程和水平控制点。进行测量基准交底、复测及验收工作。

3.1.6 审查进场预制管桩的原材料质量与技术、质量保证资料,严格按规范、标准和设计要求对管桩进行验收,对于不合格的桩材坚决退场,不予使用。

3.1.7 审查施工方报验的如下资料:(包括但不限于以下内容)①三证一书,资质证、营业证、安全生产许可证以及项目法人委托书;②项目经理证书,质检员、资料员、安全员、施工员等、焊工、机械操作工等证书;③项目部质保体系;④主要施工测量仪器应附有关计量部门的检验证书;⑤进场设备报验;⑥进场材料报验(应附质量证明书);⑦所有施工记录表样;⑧施工组织设计、开工报告等。

3.2 管桩施工质量监控:

3.2.1 督促施工单位对桩外观进行检查,发现桩身有严重蜂窝,掉角和超宽、超深的收缩裂缝以及桩顶、桩尖处有蜂窝、裂缝和掉角的桩严禁使用,并坚决予以退场。

3.2.2 复核桩位、审查压桩程序,按照先深后浅、先大后小,先长后短、先内后外的原则确定施压顺序,防止产生位移或偏斜。

3.2.3 开始沉桩应轻压,观察桩力、桩架、等垂直一致,始可转入正常。桩插入时的垂直度偏差不得超过0.5%。

3.2.4 焊接接桩施焊面上应清除泥土、油污、铁锈等,接桩时,上下节桩的中心线偏差不得大于5mm,节点弯曲点高不得大于1/1000桩长,且不得大于20mm。

3.2.5 督促施工单位接桩时,在下节桩头上安装导向箍,以便上节桩的引导就位,当上节桩找正后,对称点焊4-6点,加以固定,然后拆除导向箍。

3.2.6 焊缝要求连续、饱满、焊缝的宽度和堆高均要符合规范要求,焊接中要采取措施,减少焊缝变形;并采取围挡防风措施,确保CO2气体保护焊焊接质量必须符合GB50202-2002表5.5.4-2要求。

3.2.7 检查送桩杆上的尺寸标志,以控制桩的入土深度,送桩杆与桩顶的接触面间,应加硬木衬垫并保持密贴。

3.2.8 控制管桩垂直度,督促施工单位采用两台互为垂直的经纬仪观测控制管桩的垂直度。

3.2.9 严格控制桩顶标高,其允许误差在±50mm,沉桩的平面允许偏差根据基础的不同形式和桩的位置严格按规定要求检查。

3.2.10 督促和检查施工单位及时报验工序资料(施工记录、隐蔽验收记录、检验批等),旁站、检查沉桩质量。

3.3 技术关键要求

3.3.1 桩机就位:静压桩机就位时,应对准桩位,将静压桩机调至水平、稳定,确保在施工中不发生倾斜和移动。

3.3.2 预制桩起吊和运输时,必须满足以下条件:①混凝土预制桩的混凝土强度达到强度设计值的100%才能运输和压桩施工。②起吊就位时,将桩机吊至静压桩机夹具中夹紧并对准桩位,将桩尖放入土中,位置要准确,然后除去吊具。

3.3.3 稳桩:桩尖插入桩位后,移动静压桩机时桩的垂直度偏差不得超过0.5%,并使静压桩机处于稳定状态。

3.3.4 测桩记录:桩在沉入时,应在桩的侧面设置标尺,根据静压桩机每一次的行程,记录压力变化情况。

3.3.5 压桩:压桩顺序应根据地质条件、基础的设计标高等进行,一般采取先深后浅、先大后小、先长后短的顺序。密集群桩,可自中间向两个方向或四周对称进行,并在压桩前排出合理的压桩顺序。

压桩施工应符合下列要求:①静压桩机应根据设计和土质情况配足额定重量;②桩身和送桩的中心线应重合;③压同一根桩应缩短停歇时间。

3.3.6 接桩:①本工程优先采用焊接连接方法。②应避免桩尖接近硬持力层或桩尖处于硬持力层中接桩。③采用焊接接桩时,应先将四周点焊固定,然后对称焊接,并确保焊缝质量和设计尺寸。焊接的材质均应符合设计要求,焊接件应做好防腐处理。焊接接桩,其焊接件表面应清洁,上下节之间的间隙应用铁片垫实焊牢。接桩时,一般在距地面1m左右进行,上下节桩的平面偏差不得大于10mm,节点弯曲矢高不得大于1‰桩长。

3.3.7 送桩:送桩时严禁采用工程桩进行送桩,要采用送桩器进行送桩,送桩的中心线与桩身吻合一致方能进行送桩。若桩顶不平可用麻袋或厚纸垫平,送桩留下的孔应立即回填。

3.4 质量关键要求

3.4.1 施工中应密切关注压桩的压力变化,确保送桩压力达到设计要求,施工中采取标高、压力指标双控,严格执行设计要求。

3.4.2 按标高控制的桩,桩顶允许偏差为土50mm。

3.4.3 压桩时压力不得超过桩身强度。

钢结构屋架静力有限元分析 篇6

关键词:钢结构屋架,有限元分析,变形,应力

随着科学技术的发展,建筑材料逐渐从早期的土、石发展到现代的混凝土、钢材。用钢结构屋架代替传统的混凝土结构屋架可以减小变形和构件尺寸,能够充分发挥建筑材料的力学性能[1]。但是,钢结构建筑物的缺点也是显而易见的,由于钢材在低温条件下其强度会降低,脆性提高,这给钢结构建筑物在低温条件下的安全使用带来了一定的隐患。本文运用有限元方法对此工程钢结构屋架在静力荷载作用下的变形和应力与荷载的关系进行分析,找出屋架整体垮塌的原因,并提出有关此类结构设计的一些观点和改进意见。

1 工程概况

本工程为樟树市某工业厂房的钢结构屋架,采用Q235碳素钢,屈服强度为210 N/mm2,极限抗拉强度为380 N/mm2,伸长率为28%,属于B级钢。屋架跨度为18 m,高度为1.5 m(如图1所示)。屋架上弦为ϕ12腹杆、ϕ8腹杆、L65×6三角钢组成的三角形空间结构,其中,ϕ12腹杆按照间距400 mm排列,ϕ8腹杆按照间距1 000 mm排列,L65×6三角钢组成屋架上弦的骨架,屋架上弦距离上弦顶部0.5 m处焊接一个L65×6三角钢的拉杆,屋架下弦杆为一根ϕ20的拉杆。结构的焊接性能良好,在积雪作用下焊接处没有破坏,同时各个杆件也未发生断裂现象,但屋架上弦腹杆多处发生较大变形,整个上弦杆失去了空间整体稳定性,屋架发生整体倒塌。

2 钢结构有限元分析

2.1 有限元模型建立

本文利用通用有限元分析软件ANSYS对钢结构屋架进行有限元分析。由于结构是对称的,选择半边结构进行分析,所得结果同样适用于另一半结构。在选择单元方面,利用单元Beam189模拟屋架上弦腹杆和下弦拉杆,用Solid45单元来模拟角钢,并采用Mpc184单元将两种单元耦合起来[2]。在材料属性方面,由于结构采用的是Q235的钢材,根据相关资料定义材料的弹性模量是2.1×1011,泊松比为0.33,材料密度为7 850 kg/m3。温度线膨胀系数取1.159×10-5[3]。在荷载方面,根据现场实测数据,定义为3.5×103 N/m2,以模拟屋架所承受的静力荷载;定义温差为-30 ℃,以模拟结构在低温条件下工作。由于只研究屋架的受力性能,故近似认为屋架与柱的连接为固结,施加三向约束,在屋架中间剖面施加对称约束。经网格划分后角钢上单元尺寸为0.5 m,上弦腹杆和下弦拉杆单元尺寸为0.2 m。建立的模型如图2所示,图2中x轴正向为模型的右方向,y轴为铅直向上,z轴正向为模型的正前方向。

对于强度分析,由于结构是整体受力,即使是在承受竖向荷载的情况下也会使构件处于三向应力状态,必须利用强度理论进行强度验算。根据有关资料[4],采用的公式如下:

σx2+σy2+σz2-(σxσy+σyσz+σxσz)+3(τxy2+τyz2+τxz2)fy (1)

其中,σx,σy,σz分别为x,y,z方向上的正应力;τxy,τyz,τxz分别为xy,yz,xz方向上的切应力。

2.2 有限元分析结果

2.2.1 位移分析

通过分析得结构各点的平动位移的最大值和最小值如表1所示(以坐标轴正方向为正)。

结构各点的转动位移的最大值和最小值如表2所示(以绕轴顺时针方向为正)。

由以上分析可知:y方向的位移最大,说明屋架在承受竖向静力荷载时结构主要产生竖向位移,结构的转动相比很小,在设计时可以认为其不发生转动。

2.2.2 应力分析

通过有限元分析得到结构正应力的最大值和最小值如表3所示(以坐标轴正方向为正)。

此外,x方向正应力超过210 MPa的节点占总节点的比例为50%,并且大部分集中在上弦杆的腹杆上。结构切应力的最大值和最小值如表4所示(以绕轴顺时针方向为正)。

此外,xy切应力超过210 N/mm2的节点占总节点的比例为5%。结构主应力的最大值和最小值如表5所示(以坐标轴正方向为正)。

根据以上计算机计算所得各个节点的应力值,可以近似将钢结构屋架分成上弦杆骨架、上弦杆腹杆、下弦拉杆三个应力区,对这三个应力区运用强度理论进行分析,结果如表6所示。

此外,上弦腹杆上折减应力大于210 N/mm2的节点占腹杆节点总数的85%。

由上分析可知:在承受静力荷载作用时,三个方向正应力中x方向正应力最大,三个方向切应力中xy方向切应力最大,上弦杆腹杆中应力最大,是结构的薄弱处。

2.3 钢结构屋架垮塌原因分析

由碳素钢的力学性能可知:当施加碳素钢上的应力超过其屈服点时,碳素钢将进入流幅阶段[4,5,6],从结构设计的角度上讲钢材已经失去了承载能力,材料发生了强度破坏。由以上有限元分析结果可知:在承受竖向静力荷载时,尽管结构大部分节点的正应力和切应力未超过钢材的屈服点,但由于结构构件是三向受力状态,必须依据强度理论进行强度验算。分析指出:由于上弦杆的腹杆截面积太小导致腹杆的强度因子超过钢材的屈服强度而使钢屋架丧失了承载能力,并且结构在积雪荷载作用下发生了大的竖向位移,最终导致结构发生整体倒塌。

3 结语

通过对有限元模型进行分析后可以得到以下几个结论:1)屋架在承受竖向静力荷载时,钢屋架会产生沿x,y,z三个方向上的位移,但以y方向上为主,即以竖向位移为主,在设计的时候要注意限制y方向上的位移使结构不发生扭转破坏;2)屋架在承受竖向静力荷载时,在x方向正应力将产生最大的应力,在对结构进行设计的时候要控制x方向上的应力;3)上弦杆的腹杆截面积太小导致强度因子超过钢材的屈服强度而使结构发生破坏,为了防止结构发生强度破坏,采取的最有效的措施是加大腹杆的截面尺寸。

参考文献

[1]赵方冉.土木工程材料[M].上海:同济大学出版社,2005:5-7.

[2]博弈创作室.ANSYS 9.0经典产品基础教程与实例讲解[M].北京:中国水利水电出版社,2006:423-425.

[3]马庆芳.实用热物理性质手册[M].北京:中国农业机械出版社,2003:56-57.

[4]GB 50017-2002,钢结构设计规范[S].

[5]钟善桐.钢结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1988:16-18.

高速数控铣床结构静力分析研究 篇7

作者前期已完成高速数控铣床结构设计,但设计出的结构能否满足高速加工的要求还是未知。因此,借助ANSYS有限元软件对机床零部件进行静力分析,以此找出部件设计中的薄弱环节,为结构设计优化提供支持和帮助。

1 模型简化

在前期使用SolidWorks2008对机床主要部件实体建模后,不能直接导入到ANSYS10.0中。因为如果把模型直接导入的话,模型中许多非常细小的倒角、凸台等会使ANSYS10.0在划分网络的时候非常困难,浪费时间。同时,模型中的细小的部分,在实际有限元分析中,影响非常小。所以在通过SolidWorks2008建模后,首先应对模型进行简化:

(1)略去功能件和非承载构件。

(2)部分圆弧过渡简化为直角过渡,工艺上需要的倒角,拔模斜角等都不考虑,目的都是为了提高网络划分的精度和整机模型的计算速度。

(3)在不影响整体结构的前提下,对截面形状做一定简化。

(4)对于一些结构上的孔、台肩、凹槽、翻边在截面形状特性等效的基础上尽量简化,对截面特性影响不大的特征予以忽略。

2 静力分析

2.1 床身静力分析

机床床身在整个机床设计中处于非常重要的地位。它起着支撑立柱、工作台、横梁等部件的作用。床身的静刚度、固有频率、振型等直接影响机床加工零件的精度和质量。所以,在机床床身建模后,要对床身进行有限元分析,发现设计中存在的问题,积极改进。

在使用ANSYS10.0进行分析前,首先要进行属性定义。需要定义的属性有:定义单元类型、定义材料属性。选取SOLID45三维实体单元进行分析。床身材料选用花岗岩,查《机械加工手册》后取弹性模量为4.5×104Mpa,泊松比取0.27,密度为2.8×103kg/m3。

单元属性定义后,接着开始对模型进行网格划分。对模型网格划分的好与坏直接影响了后续的分析工作。ANSYS10.0共有两种网格划分方法,分别是:自由网格和映射网格。本文综合考虑,对机床床身使用自由网格方法,精度等级选6级。图1为划分网格后的机床床身模型。

机床床身是机床最大的基础部件,它主要受左、右立柱的重力,横梁的重力,X轴、Z轴滑块的重力,主轴箱和主轴重力,工作台重力。根据前期使用SolidWorks2008软件计算立柱、横梁、滑块、主轴箱和主轴、工作台的质量得到:两个立柱对床身压力为6860N,横梁对床身压力为4704N,X联接块、Z轴滑块、主轴对床身压力为2940N,工作台装夹的工件对床身压力为29000N。根据床身底部安装地脚螺栓的固定技术,设置床身安装螺栓处底面全约束。

通过求解,得到机床床身等效应力云图和床身整体变形云图。图2为机床床身等效应力云图。

通过观察机床床身等效应力云图,得到机床床身大部分区域的等效应力值在0~14.804Mpa,最大值为133.212Mpa。该处发生在机床床身安装立柱位置处。通过分析可知,机床床身安装立柱位置处应力较大,可通过增加机床床身厚度来减小应力集中。机床床身所用材料在抗破坏能力上还有较大的潜力,表明床身其他位置设计趋于保守,还有很大的优化空间,可在后续研究中进一步优化床身结构。

图3为机床床身整体变形云图。通过观察机床床身整体变形云图,得到机床床身整体变形量较小,为0.668μm,发生在机床床身安装立柱位置处。该位置主要承受立柱、横梁、滑块、主轴等部件的压力,所以通过分析也知道床身最大变形应该在此位置。由于床身整体变形量非常小,所以床身具有很高的静刚度,对于机床高速加工情况下,完全可以保证零件加工精度。

2.2 立柱静力分析

机床立柱是机床非常重要的一个部件。它起着联接横梁和床身的作用,并支撑横梁及主轴箱和主轴等零部件。立柱的好坏直接影响着机床整机的工作性能和零件的加工精度。

根据前期设计,立柱材料选取HT250。选取SOLID45三维实体单元进行有限元分析。查《机械加工手册》弹性模量为(1.05~1.3)×105Mpa,取平均值为1.175×105 Mpa,泊松比取0.27,密度为7.8X103kg/m3。

本文综合考虑,对机床立柱所选用的SOLID45单元划分使用自由网格方法,精度等级选6级。图4为划分网格后的机床立柱模型。

机床立柱主要受横梁的重力,X轴、Z轴滑块的重力,主轴箱和主轴重力。根据前期使用SolidWorks2008软件计算横梁、滑块、主轴箱和主轴的质量得到:横梁对立柱压力为4704N,X联接块、Z轴滑块、主轴对立柱压力为2940N。根据立柱与床身靠螺栓联接的固定技术,设置在螺孔相应的节点位置限制X、Y、Z三个方向的自由度。

通过求解,得到机床立柱等效应力云图和立柱整体变形云图。图5为机床立柱等效应力云图。通过观察机床立柱等效应力云立柱大部分区域的等效应力值在0~100.652Mpa,最大值为150.8Mpa。该处发生在立柱对应工作台方向截面交界部位,存在较大应力。主要是截面突然变化引起的应力集中现象。可通过圆角过渡,减小应力集中。

图6为机床立柱整体变形云图。通过观察机床立柱整体变形云图,得到机床立柱整体变形量较小,为1.066μm,发生在机床立柱安装横梁的边缘位置处。该位置主要承受横梁、滑块、主轴等部件的压力,而且该部位厚度较小。所以通过分析也知道立柱最大变形应该在此位置。由于立柱整体变形量非常小,所以立柱具有很高的静刚度,对于机床高速加工情况下,完全可以保证零件加工精度。

2.3 横梁静力分析

横梁主要起联接立柱支撑主轴箱和主轴的作用。立式龙门结构的横梁主要结构形式有工字钢型、梯形、矩框型。数控龙门铣床横梁的设计原则是在满足机床刚度和强度的前提下,尽量使横梁结构轻质化。综合多方面考虑,本课题横梁采用梯形。

根据前期设计,横梁材料选取HT250。选取SOLID45三维实体单元进行有限元分析。查《机械加工手册》弹性模量为(1.05~1.3)×105Mpa,取平均值为1.175×105Mpa,泊松比取0.27,密度为7.8×103kg/m3。

本文综合考虑,对机床横梁所选用的SOLID45单元划分使用自由网格方法,精度等级选6级。图7为划分网格后的横梁模型。

机床横梁主要受刀具的切削力、滑块和主轴箱、主轴的重力。假设使用高速钢立铣刀加工工件,刀具直径为Φ10,工件材料为碳钢。加工中铣削深度1mm,每齿进给量0.05mm/z,铣刀齿数为4。由《实用机床设计手册》得铣削力计算公式为:Fz=642apaf0.72ae0.86d0-0.86z KFZ;其中ap表示铣削深度,af表示每齿进给量,ae表示铣削宽度,d0表示铣刀直径,z表示铣刀齿数,KFZ表示铣削力修正系数。把ap、af、ae、d0、z、KFZ代入公式得:

根据《机械加工工艺手册》中各种铣刀水平分力、垂直分力、轴向力与圆周分力比值表查得:

机床横梁受上述切削力的反作用力和X联接块、Z轴滑块、主轴对横梁压力为2940N。

根据横梁与立柱靠螺栓联接的固定技术,设置在螺孔相应的节点位置限制X、Y、Z三个方向的自由度。

通过求解,得到机床横梁等效应力云图和横梁整体变形云图。图8为机床横梁等效应力云图。通过观察机床横梁等效应力云图,得到机床横梁大部分区域的等效应力值在0~48.536Mpa,最大值为145.066Mpa。该处发生在机床横梁安装滑块位置处。通过分析可知,该位置处主要承受滑块、主轴部件的压力和刀具高速加工过程中对于横梁的反作用力。

图9为机床横梁整体变形云图。通过观察机床横梁整体变形云图,得到机床横梁整体变形量较小,为1.603μm,发生在机床横梁上部中间位置处。在进行横梁静力分析时,根据经验,把载荷位置选在了横梁的中间位置。横梁在该位置主要承受滑块、主轴等部件的压力,还有刀具高速加工过程中切削力的反作用力。所以通过分析也知道横梁最大变形应该在此位置。由于横梁整体变形量非常小,所以横梁具有很高的静刚度,对于机床高速加工情况下,完全可以保证零件加工精度。

3 结论

本文使用ANSYS软件建立高速数控铣床主要部件立柱、横梁及床身的有限元静力学模型,并进行结构静力分析计算,以此来检验前期高速数控铣床的结构设计是否满足高速加工的要求,经验证,满足要求。但有限元静力分析只能通过软件计算得到机床部件的静刚度,也就是只能得到床身、立柱、横梁在承受固定载荷如重力、切削力等的情况下,其抵抗变形的能力。而随着设计技术日益提高,在机床设计中只单纯保证静刚度已远远不能满足现如今对机床的要求。人们越来越关住机床的振动情况。所以后续工作将对机床部件进行模态分析。以求更全面地分析机床结构,达到优化设计的目的。

摘要:使用ANSYS软件建立高速数控铣床主要部件:立柱、横梁及床身的有限元静力学模型,并进行结构静力分析计算。以此来检验前期高速数控铣床的结构设计是否满足高速加工的要求。

关键词:高速数控铣床,有限元,静力分析

参考文献

[1]侯红玲,邱志惠,赵永强.高速切削机床横梁的静态与动态分析[J].机械设计与制造,2006(,5):38~39.

[2]杜平安,甘娥忠,于亚婷.有限元-原理、建模及应用[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3]刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002.

[4]尚晓江,邱峰,赵海峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

静力结构 篇8

1 双梁门式起重机建模

1.1 双梁门式起重机的建模

双梁门式起重机起重机的主要结构如图1所示

1.1.1 模型的简化

由于双梁门式起重机结构复杂, 细节内容过多, 无法将其全部考虑进去, 因此需要对起重机的模型进行了以下几个方面的简化: (1) 主梁为箱型梁结构, 我们以板单元建立其结构模型, 将连接处简化, 使梁结构直接粘贴在一起, 不再画细节的加固装置。 (2) 小车自重及起升重量都靠四个车轮传递到主梁上, 模型中省略小车模型, 直接以力的形式加载在梁上。 (3) 箱型梁内部的加强筋若全部画上, 会增加许多节点和计算量, 故省略部分加强筋, 只在主梁中部和主梁与支腿连接处添加。

1.1.2 单元类型和材料性质

对于梁结构, 采用了Shell 181单元。它是4节点单元, 每个节点具有6个自由度:x, y, z方向的位移和绕X, Y, Z轴的转动。在ANSYS14.0中只需要在软件中设置界面厚度即可。

主梁上的轨道, 选用Beam 188单元, 此单元适用于分析细长的梁, 它是一个2节点的三维线性梁, 每个节点上有6或7个自由度。此元素能很好的应用于线性分析, 大偏转, 大应力的非线性分析。

1.2 建立有限元模型

此双梁门式起重机关于X轴、Y轴均对称, 画出其四分之一的模型再镜像操作即可。模型中有多处相互垂直的平面, 且没有公共边, 无法使用布尔操作进行粘贴, 所以在模型画完后, 需使用工作平面对模型进行切割, 使其在划分网格后, 网格连续, 有公共节点。

主梁上、下、左三面为厚度10mm的板, 右侧为厚度6mm的板;支腿均为厚度10mm板;连接主梁之间的梁, 其上侧为厚12mm板, 下侧为厚10mm板, 两侧为厚6mm板;连接两支腿之间的梁, 其上、下均为厚10mm板, 两侧为厚6mm板。

将此模型关于XOY平面对称, 然后移动坐标系至106号关键点, 建立局部坐标系11, 再将模型关于11号坐标系的YOZ平面对称, 得到完整的双梁门式起重机模型。共计12212个节点, 12556个单元。

2 起重机静力学分析

2.1 施加载荷及求解

(1) 施加约束

本论文分析的对象是箱型梁, 为了增加结果的准确度, 在建模的过程中, 对整个起重机都进行了建模, 包括支腿和连接梁部分, 施加约束时对一侧支腿底部设置固定角支座约束, 另一侧限制铅垂方向约束。

(2) 施加集中载荷

在同一根主梁上, 小车的轮距为5.216米, 故在轨道跨中相距5.216米的FY方向施加-202500N的力。

(3) 施加重力

密度在定义材料性能时已经设置过, 在铅垂方向上施加重力加速度后, 起重机的质量就有了。

(4) 进行求解

2.2 分析结果

当小车行至两支腿中间时, 梁是最危险的, 具有小车在整个梁上行走时的最大挠度, 此时的位移及应力分析结果如图所示:

由图2可以看出主梁的最大挠度出现在跨中部分, 形变方向向下, 最大挠度为20.03mm, 小于《起重机设计规范》[1]所允许的最大挠度33.75mm。由图3的应力云图可以看出最大应力值为108MPa, 发生于支腿和支腿间连接的梁的连接点处, 小于前面章节中求出的许用应力175.37MPa。所以当前情况下, 此设计可以满足静态刚度和强度要求。

3 结构的模态分析

模态分析, 也叫特征值的提取, 是机械结构的固有振动特性, 每一个模态都具有固定的固有频率、阻尼比和模态振型。本文将通过计算模态分析方法分析起重机的结构。因为此起重机结构大, 振动频率低, 在其动力响应中, 主要是低阶模态, 高阶模态对结构响应的影响很小, 阶数越高, 贡献越小, 而且, 因阻尼作用, 高阶部分在响应中也衰减的很快, 所以高阶模态忽略不计[2]。

通过起重机的有限元模型进行模态分析, 可观察到:第一阶频率为零, 起重机做刚性振动;第二阶后, 起重机开始做弹性振动, 主梁在吊重物方向发生振动, 第三阶, 两主梁共同向中间运动;第四阶整个起重机发生扭曲;第五阶, 连接支腿的两个梁共同向内部倾斜, 方向对称;第六阶, 连接主梁的两个梁均向上、向外斜飞, 方向对称。

4 结论

(1) 运用有限元分析软件建立了起重机的简化模型, 根据实际情况加上位移约束和外加荷载, 得到了它的铅垂方向位移云图和主应力云图, 并与起重机设计规范中的要求进行对比, 得出符合要求的结论;

(2) 对模型进行了模态分析, 得到其前六阶的固有频率和振型图, 对该起重机有了进一步的了解, 为起重机的优化设计提供了信息。

参考文献

[1]GB3811-2008《起重机设计规范》[S].

静力结构 篇9

随着我国社会的的快速发展, 以隧道为主的城市地下工程发展日益迅速。然而, 城市地铁隧道开挖引起地表倾斜, 使基底反力重新分布, 进而引起基础和上部结构内力的变化, 产生较大的附加内力, 建筑结构的自重应力场重新分布, 导致建筑物从基础到上部结构产生不同程度的损伤 (次生损伤) , 轻则开裂, 重则倒塌[1]。因此, 研究地下隧道开挖引起地表倾斜对地面建筑物的损害机理, 研发切实可行的防治和控制措施, 可以有效保护地下隧道周围环境以及人民生命财产的安全, 其科学价值、工程意义和社会效益均十分显著[2]。

1有限元模型的建立

1.1 工程概况

选取青岛地铁3号线某区间旁穿的一栋建筑物为对象, 进行结构各种工况下的受力分析, 该建筑物结构形式为框架剪力墙结构。本文选择的计算模型抗震设防烈度为8度 (0.20 g) , 场地类别II类, 钢筋混凝土框架剪力墙结构:1层层高5.0 m, 2层及以上层高3.6 m, 共 15层, 总高55.4 m, 现浇楼板。

1.2 荷载的施加方式

(1) 结构自重。

在静力分析类型下对结构沿重力方向施加9.8 m/s2的加速度。

(2) 地表变形对结构的影响。

在本文中, 研究地表倾斜对上部结构的影响, 传统方法是将柱脚与基础的连接处作为固端或固定铰支座, 并人为的给沉降部位柱脚施加支座位移, 以此方法来模拟沉降的产生。

1.3 钢筋混凝土框剪结构有限元模型

本文采用杆、壳单元进行模拟。剪力墙、楼板采用ANSYS中的SHELL181单元进行模拟, 梁、柱采用BEAM188单元进行模拟[3]。模拟梁柱以及剪力墙等构件在分析过程中出现的开裂、屈服及破坏的受力过程。结构有限元模型如图1所示。

2隧道开挖对框剪结构的静力影响分析

2.1 本文对模型施加的沉降条件

根据《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2002) , 本建筑整体倾斜允许值为0.003, 现选取2 mm/m、3 mm/m、4 mm/m四种沉降值为本文的研究工况, 四种工况如下:

工况S1:整体地基基础不产生沉降;工况S2:框剪结构整体2mm/m倾斜;工况S3;框剪结构整体3 mm/m倾斜;工况S4:框剪结构整体4 mm/m倾斜。

2.2 荷载施加方式

在ANSYS中对柱脚沉降采用传统的位移加载方式模拟柱脚沉降[4], 计算时均打开大变形控制, 用以考虑因沉降产生的整体附加弯矩作用。框架的自重是以惯性力的方式施加的, Z方向的惯性力加速度取9.8 m/s2。

2.3 各工况下结构内力分析

对结构分别施加工况S1、S2、S3、S4, 得到结构弯矩图, 如图2~5所示。

由图2可以看出, 当结构只受重力 (S1) 影响下, 结构各层弯矩分布较为均匀, 各构件的弯矩远小于开裂弯矩, 各构件处于弹性阶段。

从图3~5中可以看出, 当地表出现倾斜变形时, 结构的附加弯矩逐步增大, 其中结构底层柱的弯矩值增加最为明显, 并且在与剪力墙相连处柱脚弯矩急剧增加。当结构层高达到3层及以上时, 结构受到地表倾斜影响产生的附加弯矩非常小。由以上分析可知当地表发生倾斜变形时, 结构底层所受影响最大, 底层与剪力墙相连的柱最早开始出现开裂或破坏。

A轴柱脚节点弯矩

B轴柱脚节点弯矩

提取各工况下结构底层柱脚弯矩, 其数值沿A轴、B轴变化如图6~7所示。从图6~7可以看出, 当地表发生倾斜变形时, 结构底层与剪力墙相连处各柱脚 (Z9、Z10、Z35、Z36) 弯矩急剧增加, 增加幅度最大处的弯矩值是工况S1下该处弯矩值的100倍以上。并且, 随着地表倾斜程度的增加, 结构底层各柱脚弯矩值均有所增加, 与剪力墙相连的底层各柱柱脚弯矩增加幅度较大。这是由于柱与其相连接的剪力墙的线刚度相差较大, 在与剪力墙相连接的一跨框架内产生较大附加弯矩。但由于构件开裂后刚度会变小, 在增加相同的位移荷载的情况下, 增幅会较前一荷载步的弯矩增加量有所放缓, 开裂程度渐趋严重, 区域也随之扩大。

提取各工况下结构底层柱脚轴力, 其数值沿A轴、B轴变化如图8~9所示。从图8~9可以看到, 随着倾斜程度的增加, 底层各柱脚轴力值变化不大。从图8可以看出, 由于剪力墙承担了部分附加轴力, 与剪力墙相连的各柱 (Z9、Z35) 轴力值会有突变。从图9可以看出, 同样是由于剪力墙的作用, 随着倾斜程度的增加, Z2、Z6、Z10、Z30、Z36、Z12的柱脚轴力值增加幅度较大。

3结论

(1) 隧道开挖之前, 上部建筑物结构仅受重力作用, 各层构件所受弯矩比较均匀, 结构处于应力较小时的线弹性受力状态[5];当隧道开挖引起地表倾斜时, 结构底部构件将出现较大的附加弯矩, 其中结构底层与剪力墙相连接的各柱弯矩值增加幅度最大。

(2) 随着地表倾斜程度的增加, 结构底部构件的弯矩值也逐渐增大。由于构件开裂后刚度会变小, 在增加相同的位移荷载的情况下, 增幅会较前一荷载步的弯矩增加量有所放缓, 开裂程度渐趋严重, 区域也随之扩大。

(3) 随着地表倾斜程度的增加, 底层除与剪力墙相连的各柱轴力值变化较为明显外, 其他各柱轴力值变化不大。地表倾斜对结构轴力值影响不大。

(4) 隧道开挖引起的地表倾斜对结构底层影响最大, 底层柱最早开始出现开裂或破坏。建议对隧道开挖影响范围内的建筑物, 在设计中适当加大底层梁柱截面, 以抵抗可能发生的附加弯矩的影响。

(5) 当地表发生变形后, 上部结构底层剪力墙节点处, 柱脚弯矩会成倍的增加, 建议避免剪力墙与其相连的柱的刚度相差太大, 以至于引起构件的破坏。

参考文献

[1]刘军.北京地铁施工中若干环境岩土工程问题[J].市政技术, 2004, 22 (Z) :226~233.

[2]赵延林, 高全臣, 衡朝阳.基坑开挖对近邻建筑物沉降影响的数值模拟[J].黑龙江科技学院学报, 2005, 15 (2) :106-110.

[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2005.

[4]施成华, 彭立敏, 刘宝琛.浅埋隧道开挖对地表建筑物的影响[J].岩石力学与工程学报, 2004.

静力触探在工程地质勘察中的应用 篇10

摘要:随着科学技术的不断发展,静力触探在工程地质勘察中的应用更加广泛,具有一定的优势,不仅方便快捷、操作简单,还可以准确确定土体的工程特性与空间分布,因此值得大力推广在工程地质勘察中应用。笔者结合某小区工程地质勘察实例对静力触探的应用进行了分析,并就静力触探在工程地质勘察中的其他应用进行了介绍,为静力触探发展和应用提供一定的参考和依据。

关键词:静力触探;工程;地质勘察;应用

前言

近年,由于科学技术以及工业、民用建筑行业的不断发展和进步,越来越多的地质勘察项目出现在日常工程中。为了可以快速的明确水平以及垂直方向上地层岩性分布情况,测算地基形变特征以及力学性能,对土石进行分类、定名,估算承载能力等,静力触探技术已经逐渐被运用到很多领域,并且已经取得了明显的效果。

一、静力触探原理及特点

静力触探是一种结合测试和勘探的野外原位勘察技术,原理就是通过把静压力压入到土中,土层具有一定的阻力,会使得探头具有相应的压力,具有高强度的土,就会受到更大的压力。利用探头传感器把土层中的阻力变为电讯号,然后使用相应的仪表进行测量,主要利用电量变化电阻定律、材料出现弹性形变的虎克定律以及电桥原理[1]。

二、某小区工程地质勘察中静力触探的应用

(一)用于软弱黏性土和粉土分布特征的确定

软土具有孔隙比较大、含水率比较高、强度比较低以及压缩性比较高的特点。强度低实际上是说Ps值相对比较低,一般来说低于800kPa。静力触探技术具有方便实用、设备轻便以及探测灵敏性高的特点,是确定软弱黏性土和粉土分布特征、范围深度等最有效的方法,可以适当利用横断面以及纵断面的方式来检测软土层的实际分布情况,已经广泛的运用到小区建设工程中。例如,某小区利用静力触探技术确定小于800kPa的Ps值,初步判断为软土,然后采用静力触探进行加密,适当的钻孔进行验证,从中可以看出地下深度0.0-1.5m范围内为松散粉土,采用钻机不能形成一定形状的钻孔岩芯,而利用静探则可得到相关指标,为设计提供依据和保障,上述过程中,静力触探具有很大的作用,是确定软弱黏性土和粉土分布特征的重要方式。

(二)土层划分

静力触探曲线可以直接表明土层的力学性质,可以依据该曲线来进行地层的划分,在具有一定钻孔验证的情况下,可以准确的进行土层的划分,在0.0~1.5m,当曲线具有很大起伏的时候,依据相关钻孔资料,可以判断为粉土;1.5~2.2m,当曲线比较平稳,但是贯入阻力突然增加,可以判断为粉质粘土;2.2m之外的曲线出现起伏,为粉土;2.2~4.7m,Ps小于800kPa的时候,为软弱土层[2]。

(三)基本承载力确定

不同的测试结果不能充分确定承载能力,需要经过特定的公式来确定相关承载能力。

(四)松软土分布确定

松软土实际上就是不能符合软土标准的具有比较低承载力或者不能符合实际施工规范,需要进行一定处理的土。例如,饱和黄土,具有比较大的含水量的粘性土或者粉土。依据相关铁路工程的规范,相关判断分布的条件:岩性地基土的条件为,细砂的Ps大于等于5MPa或者是N大于等于10 MPa,粉土Ps是大于3MPa或者[σ]大于等于0.15MPa,粘土、粉质粘土Ps大于1.2MPa,黄土的Ps大于3Mpa。(其中Ps为静力触探比贯入阻力,[σ]是容许承载力,N是标准的贯入试验锤击数)。依据上述条件,不能符合规定的就是松软土,可以通过Ps值以及种类来判定松软土,需要依据静力触探的贯入阻力进行判断。经过计算可以发现,在0.0~1.5m范围内小于0.15MPa承载力,就是松软土。

(五)地基土液化判别

现阶段,最常用的方式就是利用标准贯入来判断基土的液化,实际上使用静力触探的方式也可以进行判断,并且更加快捷和方便,尤其是判断一些软沼泽和积水的地方,利用静力触探具有更好的效果,与标准贯入击数一样都能实际反应物理性能,此外还有灵敏度高、实验误差小的特点[3]。

(六)地下空洞探测

静力触探提供的贯入阻力可以很好的表明地层的力学性能,一旦出现地层空洞的时候,贯入阻力会以出现比较明显的变弱并且一直到归零。如果地下空洞不是很深的时候,上层土主要就是细粒土,可以利用静力触探提供的贯入阻力实际变化来判断空洞深度和范围。在某小区勘察时,会通过一段废弃的坎儿井,仅仅只能观测到废弃的井口,不能判断深度和范围,因此使用静力触探方式进行检测。在达到2.4m 的时候,会迅速降低贯入阻力值,在3.4m的时候,会适当回升,因此,可以发现深度在2.4~3.4m的范围内为地下空洞[4]。

三、静力触探在工程地质勘察中的其他应用

(一)测定人防工程与隐蔽物位置

从上世纪七十年代的时候,逐渐开始修建人防坑道,但由于时间的推移,很多城市在地下都掩埋了井或者古墓等建筑。想要探测出地下空间存在的建筑以及相对位置,对于建筑工程施工具有重要作用,依据相关资料,利用静力触探技术能够准确、快速的找到地下隐蔽物的位置,为建筑工程施工带来科学依据和保证。

(二)探测出地质软弱带的分布

甘肃第四系构造的运动结构都是比较活跃的,每个时期都具有一定的断裂遗迹。河西走廊大部分区域都是处于第四系松散平原上。现阶段,虽然这种结构还没有给建筑工程以及人们的生活带来影响,但是并不是没有一定的危险性。一般情况下,在建设工程的时候,已经出现或存在活断层,提前采取一定的防范措施能够尽可能的降低经济损失,现阶段正在应用静力触探技术来探明地层沉降区域活断层的分布情况。依据大量实践表明,利用静力触探技术在判断地层沉降区域活断层的规模和走向方面具有很大的作用,是比较有效的方式[5]。

结束语:

总而言之,静力触探已经逐渐发展成为地质勘察中比较有效的测试方式,可以利用这种技術得到相关地质参数,全面分析和评价地质工程的情况。相比较其它勘察方式具有经济、快速、连续、使用范围广以及操作简单等特点,不同的区域需要建立不同的探测方式,静力触探具有更好的作用。

参考文献:

[1] 赵伟.浅谈静力触探在工程地质勘察中的应用[J].地球,2013(8):132-133.[2] 郑伟锋,王明羿,郑先昌等.静力触探在南广高速铁路工程地质勘察中的应用[J].铁道建筑,2010(4):82-85.

[3] 朱敏荣.静力触探在工程地质勘察中的应用[J].山东工业技术,2014(10):171-171.

[4] 翁洋益.原位测试手段在工程地质勘察中的综合应用[J].房地产导刊,2014(8):271-271.

[5] 欧阳正平,秦松柏,程天舜等.静力触探技术在宿迁市枣林医院工程地质勘察中的应用[J].安全与环境工程,2010,14(3):108-110.

[6] 杨成利,冯利.浅析静力触探在工程地质勘察中的应用[J].建筑工程技术与设计,2013(11):178-179.

作者简介:

静力结构 篇11

结构静力试验是研究复杂工程构件静特性的重要手段, 是校核产品设计静强度、刚度、稳定性, 鉴定产品可靠性的有效途径, 并为产品结构设计和产品结构优化提供可靠的静强度数据和最准确的资料。对于形状和受力都较复杂的构件, 结构静力试验是产品结构研发必不可少的也是唯一简单而有效的途径。试验结果对产品的计算机模型的建立以及二次开发起到重要的指导作用。因此, 目前许多领域, 包括土木、汽车、船舶、航空、航天领域的大型结构件的研发过程中, 都需要对构件进行结构静力试验, 保证产品的品质和可靠性, 避免产品的实际参数达不到设计要求。

1 电液伺服系统

液压加载根据液压流体力学原理, 利用液压元件组成的压力和方向控制回路, 将一定压力的油液输入液压缸, 由液压缸内的活塞把分布的油压转变为集中力, 最后经活塞杆输出。

电—液伺服系统的分类方法很多, 可以从不同角度分类, 如位置控制、速度控制、力控制等;阀控系统、泵控系统;大功率系统、小功率系统;开环控制系统、闭环控制系统等。根据输入信号的形式不同, 又可分为模拟伺服系统和数字伺服系统两类。图1为电液位置伺服系统:

电—液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点, 具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点。因此, 在负载质量大又要求响应速度快的场合最为适合, 其应用已遍及国民经济的各个领域, 比如飞机与船舶舵机的控制、雷达与火炮的控制、机床工作台的位置控制、板带轧机的板厚控制、电炉冶炼的电极位置控制、各种飞机的模拟台控制、发电机转速的控制、材料试验机及其他实验机的压力控制等等。在油源设备提供一定压力油液的情况下, 计算机调整输入到液压缸内的油液流量, 由此控制试验载荷或位移。根据这一设计思想, 依据被控参量开发了两个液压加载分系统:力控制系统和位移控制系统, 以满足不同的试验需求。

国内现有的应用于结构静力试验的系统, 在试验力精度, 位移传感器分辨率, 响应速度和活塞行程上很难达到用户需求, 美国MTS公司的伺服加载系统能够达到和超过用户要求, 但是其价格是国内相同系统的几倍甚至几十倍, 基于这种情况, 采用美国NI公司的Lab VIEW编程软件即图形化语言作为开发平台, 开发了一套数据采集、信号处理及仪器控制的虚拟仪器应用程序, 配以伺服放大器、MOOG的直动式伺服控制阀、及作动器, 形成了一套性能优良的位移、力闭环控制系统。该系统可以进行负载0~500 k N的试件的静态试验。其试验力精度≤±1%, 位移传感器分辨率可达到0.01 mm, 活塞的最大行程可达500 mm, 控制精确、操作简单、响应速度快、控制稳定, 达到了预期的设计标准, 是一个可靠的实验平台。

2 虚拟仪器伺服系统

利用美国NI公司的Lab VIEW编程软件作为平台开发伺服控制系统软件, 该软件主要功能为数据采集并实时的显示波形型号, 可实时显示力-位移, 力-时间, 位移-时间曲线, 并通过采集的数据及控制参数发出控制信号, 数据的采集与控制信号的发出通过研华工控机A/D和D/A转换, 计算机运行伺服系统控制软件, 通过伺服放大器控制伺服阀, 从而实现对作动器活塞位置的位移闭环反馈控制。作动器活塞位置使用深圳联诚世纪的RP/RH非接触式位移传感器, 其分辨率可达16位D/A或满量程的0.001 5%。

本系统如图2所示, 主要由以下部分构成:

1) 主机:对试样进行加载的工作装置, 本系统为作动器。

2) 控制柜:启动、停止油泵电机, 对异常情况报警的操作装置。

3) 油源:对液压系统提供油液和动力, 通过作动器对试样加载的动力装置。

4) 控制系统:控制试验按照需求逐步进行, 并对试验数据进行采集、放大、显示、处理和打印的装置。

该软件可以实现位移的手动控制, 闭环控制以及自动程控, 具有多种试验力、位移梯级加载、保载控制, 数据的采集、记录、显示、实时保存以及采集频率的设定等功能, 采集的数据通过实时处理可以显示其当前值, 历史值及峰值, 还能设定试验保护参数, 软件界面清晰美观, 操作简单, 使用方便。控制程序流程如图3。

该系统主要用于结构教学试验, 也可以在加载框架内进行建筑结构的弯曲、压缩、拉伸等性能试验。试验对象包括柱、梁、框架等。还可以将系统中的油缸在加载框架内组合使用, 以实现多点协调加载功能, 测试结构在复杂受力情况下的力学性能。图4为伺服控制系统界面。

3 结论

本系统根据实际情况选择了液压辅助控制系统的硬件配置, 基于Lab VIEW平台开发了伺服控制系统软件, 大大简化了源程序的开发。由于Lab VIEW所具备的强大功能使传统的信号发生器及其他硬件设备可以省略, 而且精度更好、成本更低、试验系统性能更稳定。该系统充分考虑了结构试验系统的各种特征, 功能齐全、界面美观、操作简便、此软件可以快捷、方便、直观地实现试验要求的各种操作, 人机对话灵活、友好。

摘要:结构静力试验是研究复杂工程构件静特性的重要手段, 是校核产品设计静强度、刚度、稳定性, 鉴定产品可靠性的有效途径, 并为产品结构设计和产品结构优化提供可靠的静强度数据和最准确的资料。电液伺服控制加载系统是土木工程结构试验中理想而不可缺少的试验加载设备。基于LabVIEW研制与开发的伺服控制加载系统省略传统的信号发生器等硬件设备, 其精度更高, 性能更稳定, 操作简单且能根据试验要求做进一步扩展和优化。

关键词:LabVIEW,虚拟仪器,电液伺服,结构静力试验

参考文献

[1]James Carvajal, Guanrong Chen, Haluk Ogmen.Fuzzy PID controller:Design, Performance evaluation and stability analysis[J].Information Sciences 2000:249-270.

[2]强一于, 军琪, 刘煦.液压位置伺服系统模糊自适应PID控制算法研究[J].工业控制计算机, 2010 (12) :58-60.

[3]王汉军.电液伺服加载系统控制方法的改进研究[J].计算机仿真, 2009 (11) :327-363.

[4]魏文军, 范多旺.多通道电液伺服协调加载系统研究[J].自动化与仪器仪表, 2006 (03) :20-23.

[5]雷振山, 魏丽, 赵晨光, 等.LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用[M].北京:中国铁道出版社, 2009.

[6]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.

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