型钢混凝土框架节点非线性有限元分析.pdf
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1、庄彬彬等 : 型钢混凝土框架节点非线性有限元分析 5 3 型钢 混凝土框 架节点非线性有 限元分 析 庄彬彬 , 李健 ( 同济大学结构工程与 防灾研究所 。 上海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 利用有限元分析软件 A N S Y S 建立一型钢混凝土框架节点模型, 对其进行非线性分析, 得到其在 设计荷载下的应力状态 , 为设计提供依据。 【 关键词】 型钢混凝土; 梁柱节点; 非线性; A N S Y S 【 中图分类号】 T U 3 7 5 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 0 ) 0 9 0 0 5 3 0 2 型钢混凝土结
2、构是 指在 型钢周 围配置 钢筋 , 并 浇 筑混凝土的结构。梁柱节点是框架结构中传力的重要 部位, 对保证结构承载力和刚度起着重要的作用。研 究表明 , 型钢混凝 土梁柱 节点在 低周 反复荷 载下有 较 好的刚度和延性 , 可防止节点脆性破坏, 使节点区的抗 震性能得到显著 改善 。本文基于大型通用有限元软件 A N S Y S , 简要介绍钢筋混凝土有限元建模方式及其收 敛控制方 法 , 并 以某 设计 院设计 的一 型钢混凝 土框 架 节点为例, 对其进行非线性有限元分析。 1 非线性分析的收敛控制 利用 A N S Y S 进行钢筋混凝土非线性分析时, 在混 凝土开裂前计算易于 收敛
3、 。但 是当混凝土开裂后 随着 荷载的增大收敛趋于困难。影响钢筋混凝土非线性计 算收敛的主要因素有: S o l i d 6 5单元的 K E Y O P T选项、 网格密度、 子步数、 收敛准则、 求解设置等。 在进行模型的网格划分时, 网格密度会对分析 的 收敛产生影响。在容易出现应力集中的部位要避免过 小单元的出现。一般而言, 混凝土单元尺寸不宜小于 5 0 ra m。并且在 可能 出现 应力集 中的部位 应控 制 网格 密度不宜太大。 在利用 A N S Y S 进 行钢筋混凝土有 限元计算 时 , 一 般选择力的收敛准则而不同时使用位移收敛准则 , 否 则会给收敛带来困难。同时可用
4、C N V T O L命令调整 收敛精度 , 以加速 收敛 减 少计算 时 间。收敛精 度默认 值是 0 1 , 根据计 算精 度一 般可 放宽 到不超 过 5 , 这样将提高收敛速度。 2 型钢 混凝土框架节 点分析 2 1 节 点概述 该节点位于一 根长 约 1 8 5 5 m 的型钢混凝 土框支 柱处 , 框 支 柱 1 8 5 5 m 以 下 部 分 截 面 尺 寸 为 1 8 m 1 6 m, 1 8 5 5 m以上部分 截 面尺 寸 2 9 4 6 m X 1 6 m。框 支柱 1 8 5 5 m到 1 9 2 m高度 范 围处 长度 为 1 6 m边 的 两侧面连接有截面尺 寸为
5、 1 5 m X 0 6 5 m两根 弦杆 , 长 度为 2 9 4 6 m 边 的侧 面 连 接 有 截 面尺 寸 为 0 8 5 m X 0 6 5 m的两根斜 向弦杆 , 如 图 1 所 示 ( 数 字 为杆 件 编 号 ) 。由于该节 点 的构件 截 面尺 寸 突变 且配 筋 复杂 , 为确保节点设计的安全性和经济性 , 应对节点钢筋混 凝土结构进行空间有限元计算分析, 来深入了解结构 在设计荷载下的应力状态 。 2 2 有限元 建模 本文所做计算关注的问题是结构在给定荷载水 平下的应力水平及应力分布特征( 所受荷载水平由设 计方提供 ) , 而非结构的极 限承载 能力 , 因此在建模
6、 时 做 如下假定 : 在给定荷 载水平 下钢筋 与混凝 土界 面 始终结合良好 , 不产生粘结破坏; 考虑在较大荷载作 用下 , 由于材料 非线性 效应所 导致 的应力重分布 , 用弹 塑性材料模型分别模拟钢筋及混凝土的非线性行为; 框支柱及弦杆受力钢筋采用分离式模型, 斜向弦杆 采用整体式模型。分离式模型中, 结合有限元单元网 格的划分, 尽可能以独立的一维单元模拟单根钢筋, 在 有限元单元划分困难时, 则以截面等效的原则模拟多 根钢筋 的综合效果 。 基于如上假设 , 利用 A N S Y S程序建立该节点的计 算模型, 混凝土用 S o l i d 6 5单元模拟, 主要受力构件框 支
7、柱及弦杆 中各 受力 钢筋 用 L i n k 8单元 模拟 , 次 要受 力构件斜 向弦杆 中的钢筋 由 S o l i d 6 5单 元 中的配 筋率 参数按等效弥 散模式模 拟 , 内包 型钢采用 S h e l l 1 4 3单 元模拟。对混凝土 S o l i d 6 5单元, 增大其抗拉强度以不 考虑其混凝土开裂, 并关闭压碎, 使得计算更易收敛。 计 算模型 中混凝 土的本 构关 系采用 MI S O多线 性 等向强化模型, 钢筋的本构关 系采用双线性等向强化 模 型 B I S O 。 2 3 非线性计算分析结果 根据设计方要求 , 非线 性计 算荷 载分 两个水 平方 向的大
8、震及 中震 , 计算荷载 由设计方 根据 S A P软件计 算结果提取 , 荷载直接作用于相应杆件上 , 不再考 虑荷 载组合系数。本文以 Y方 向大震 为例 , 说 明节点 的应 力水 平和应力分布特征。荷载取值 见表 1 。梁柱 节点 的非线性计 算结果见图 1 图 4 。 从应力云图可知 , 在 Y 向大震 作 用下 , 混 凝 土第 低温建筑技术 2 0 1 0年第 9期( 总第 1 4 7期 ) 一 主应力和第 三 主应 力 的最 大值 均 出现在 侧边 斜 向 弦杆与竖 向框支柱 连接底 部 , 应力 峰值 低于混凝 土抗 压强度; 型钢 Mi s e s 应力绝对值最大处在斜 向
9、弦杆 1 6 2 1 处, 其最大等效应力值为 4 5 4 M P a , 远低于型钢 的屈 服强度 3 2 5 MP a , 型 钢未屈 服 ; 纵筋轴 向应力 绝对 值最大处与型钢等效应力最大值处于同一弦杆 , 其应 力最大值为 1 0 3 MP a , 远低于纵筋的抗拉强度设计值。 因此, 节点的承载力满足设计要求; 同时对于节点峰值 应力处在设计中应给予加强。 图 1 混凝 土第一 主应力云图 图 3 型钢 Mi s e s 应力 图 5 混凝土第一主应力 云图 此外 , 本文对混凝 土和钢 筋采用线 弹性模型 , 对该 节点进行线性分析 , 其应力云图如图5图8所示。 对 比上述计算
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