最近整理电脑资料，找到了一个比较有意思的项目。大体是一个铁路站房钢结构，在翻新改造加固过程中构件安装存在一定的偏差，检测单位提出需要针对这个安装偏差作设计复核。朋友告诉我这个项目现在验收卡在这个环节，咨询这个问题大吗？能否帮忙核算一下！那会应该是好久没做过节点有限元的我有点慌，询问了一下周边但是都没空做只能硬上了。偷得空闲捋一捋当时的处理过程，算是轻度还原吧！

 

预应力如何加？

预应力拉索

索的特点

1. 索只能承受拉力，不能承受压力和弯矩；
2. 索是线弹性材料(设计时)，为柔性构件，几何非线性问题突出；
3. 随着内力的变化几何刚度会发生变化
4. 有了初始刚度索单元才能承受各种荷载

估算索的初拉力

1. 索控制应力取应变值为0.0015～0.00175时的应力值；
2. 索控制应力直接取0.53倍的强度标准值，或有效应力的0.13倍； （未找到出处）
3. 注意索的初拉力还要满足有关规范、规程的要求，例如《点支式幕墙规程》（CECS 127－2001）规定：索的挠度应控制在跨度的1/300以内；索的拉力不大于最小整索的破断拉力的1/2.5。
4. 对于稳定：考虑大变形对结构的影响，采用一致缺陷模态，最大值取跨度的1/300，系数K≥4.2

预应力加载

midas gen 索力加载

1、荷载>初始荷载>大位移>几何刚度初始荷载

程序会根据输入的初始荷载计算出平衡外力(反力)，并生成初始平衡状态。在此初始平衡状态下做结构的分析，仅用于非线性分析。空工况下，索单元内力=几何刚度初始荷载。该方式只产生刚度，对其他构件的内力和位移没有影响。如果工程中需要计算的是索张拉后结构在其它荷载工况下效应(承载能力极限状态验算），且不考虑预应力作用下其他构件中的内力时，可采用该方法。

2、荷载>初始荷载>小位移>几何刚度初始荷载

只适用于线性分析和动力分析，常用于同时考虑“索单元的效应”和特征值分析等线性分析。

3、在建立单元的时候，“单元类型”选择为索单元时，使用无应力长度“Lu”或者直接加“初拉力”

对所有荷载工况结果都有影响张拉后， 索中拉力不为定义时添加的初拉力，即在结构中已经进行了内力重分配。

4、荷载>预应力荷载>初拉力荷载

该方式为外荷载，对其他构件有影响不产生初始刚度，因而分析可能不容易收敛；可以用几何刚度初始荷载对索单元添加一个较小的刚度。

 

sap2000 索力加载

对于较细较短的索，结构刚度较大，索的自重对索自身及结构的工作性能影响不大，可采用框架单元模拟（需剖分单元以保证计算精度）。对于较粗或较长的索，结构非常柔或支座位移很大时，索的自重可能对索自身或结构的工作性能影响较大，宜采用悬链线单元。

两种分析

非线性分析

在工程中已知索单元初拉力的情况下，加上其它荷载进行分析，求索单元的拉力变化及结构的变形

索的变形和梁、桁架单元相比要大，属于大位移，因此在分析的时候需要使用几何非线性分析（也就是大位移分析）。求解的时候需要通过迭代来进行。这就是分析目的一要做的工作，在MIDAS/Gen中通过定义几何非线性分析来进行。

线性分析

对带有索单元的结构进行反应谱分析

地震作用，进行的是线性分析，此时需要进行小位移分析。另外索单元张拉后，带有一定的刚度，有时候为了求解的简化，也可以将索单元等代成桁架单元来考虑，此时也可以进行小位移分析。这就是分析目的二要做的工作，在MIDAS/Gen中通过定义“初始荷载>小位移>初始单元内力”来进行。

一般的，先对结构进行找形及荷载分析，采用大位移对应的几何刚度初始荷载方式输入初拉力，非线性分析下得出拉索轴力。在带入地震作用的荷载组合下，采用小位移对应的初始单元内力方式输入第一步算出的拉索内力，主要是给予结构一个初始刚度。最后对荷载组合下承载力及变形分析，对结构的模态屈曲分析。

安装偏差模拟

偏差情况介绍

 

模型建立及荷载取值

根据检测结果，菱形杆补强安装时出现了偏差，现对外侧/内侧不同偏差情况进行数值模拟，以评估安装偏差后结构受力是否仍能满足原结构设计需求。

站台雨棚模型示意图（左侧为外高内低偏差、右侧为外低内高偏差）

站台雨棚模型外高内低安装偏差剖面示意图

站台雨棚模型外低内高安装偏差剖面示意图

荷载取值参考原设计总说明，各工况荷载取值示意详见下图，预应力钢索按设计要求施加初应力，地震作用考虑程序施加。

站台雨棚恒载布置图（自重软件考虑）

站台雨棚活载布置图

站台雨棚风荷载布置图（通过荷载组合正负考虑正负风压）

荷载组合考虑程序自动生成，并考虑包络设计。

主体结构分析

站台雨棚钢索包络工况应力示意

站台雨棚主桁架包络工况构件最大应力示意

 

站台雨棚主桁架构件稳定最大应力比示意

站台雨棚构件包络工况最大挠度示意

由图中可见主桁架杆件最大位移为89mm，89/（18650*2）=1/419<1/400。

综上所述，站台雨棚结构强度和变形均能满足设计要求。

YG1安装偏差节点分析

根据项目检查情况反馈如下：

在模型中按菱形杆在节点处上下安装偏差±15cm（比现场增加5cm）的情况进行节点模拟分析，在节点处输入前面章节分析提取出的内力。

考虑菱形杆安装偏差模型示意

考虑菱形杆安装偏差构件轴力示意

考虑菱形杆安装偏差构件弯矩示意

那会做完构件内力复核之后，苦于许久没动过有限元分析，一时间有点束手无策。询问周边好友没空后只能自己想办法解决了。对gen比较熟悉，刚好也了解了midas家族的FEA NX产品，貌似做有限元分析也比较方便，无奈没啥实战经验，但是还是可以借助一下它来做实体单元划分的，毕竟在gen里面做这个工作还是比较啰嗦且不一定能达到预期效果。

 

考虑菱形杆安装偏差节点有限元应力示意（最大主应力187MPA小于设计允许值）

考虑菱形杆安装偏差节点屈曲分析（屈曲最小因子为8.44）

综上所述，考虑菱形杆安装偏差上下浮动±15cm时，节点处应力也满足原设计要求，且在节点板处未考虑加劲肋的作用，留有一定的安全富余。

 来源：结构菜鸟人生，作者：木子青见