型钢混凝土异形节点非线性分析研究.pdf
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1、第 4 0卷 第 3期 2 0 1 3年 3月 建筑技术开发 Bu i l di n g Te c h ni q ue De v e l o p me nt Vo 1 40, No 3 Ma r 2 01 3 型钢 混凝土异 形节点非线性分析研究 黄 飞 ( 湖 北省林 业勘 察设 计 院 , 武 汉4 3 0 2 2 3 ) 摘要 根据非线性有限元理论 , 对 型钢混凝 土异形节 点的材料选 取 , 本构关 系的确定 , 损伤模 型 的建立 进行 了分析 研究 , 运用有 限元软件对一异形节点进行建模分析 , 得 到 了异形 节点 的破坏情况 和应力分 布特征 , 并通过 非 线性分析结果进
2、行了异形柱抗震性能的分析 , 为实际工程应 用提供了参考 。 关键词 异形节点 ; 非线性 ; 有限元 ; 抗震 中图分类 号 T U 3 1 1 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 0 1 1 0 3 异形柱框架结构将建筑美观 、 使用功能的灵活 性 与建 筑结构 合 理 的受 力 性 能有 机 地 结 合 起 来 , 得 到了迅速 的发展 , 尤其 是近几 年其发 展趋 势更是 迅猛 , 但是 由于异形柱 与矩形 柱在截 面特 性方 面 有很大差 异 , 导致其结 构受力 性能 与普通 框架结 构也有很 大程度 的不 同, 使
3、得 梁柱连 接 的节点 问 题却成为 工程应 用 中的难 点 , 制约 了其进 一步 的 推广使用 。因此研究异形节点 的抗 震性能是 十分 必要 的 。 1 异形 节点概 述 异形 柱框 架节 点根据 所处 位置 不 同按照 形状 可 以分为五种类型 , 即顶层边柱节点 (厂 型 ) ; 顶层 中 柱节点( T型 ) ; 中间层边柱节点 (卜 形 ) ; 中间层 中 柱节点( +型) 。实际空间框架结构中 , 与节 点平面 相垂直的一侧或两侧还有纵向直交梁 , 这样组合起 来就有多达十余种不同形状的节点 。 节点是连接梁和柱 的关键 部位 , 是框架 梁、 柱的传力枢纽 , 梁和柱等构件的内
4、力通过节点传递 , 因此节点工作的安全可靠是保证结构正常工作的前 提。异形节点结构形 式 的复杂性 , 使节点处 于压 、 弯、 剪复合受力状态 , 甚至已经部分超出了弹性受力 阶段而发生内力重分布现象。大量结构破坏 的原因 并不是因为梁柱构件失效 , 而是 由于设计 阶段对节 点复杂受力行为的忽视而导致。 在复杂的地震作用下 , 一旦节点破坏, 不仅与其 相连的梁柱不能正常工作 , 而且该节点 以上各层都 不可能正常工作。在抗震设计 中提 出“ 强柱弱梁 、 强节点弱杆件” 的设计原则也体现 了节点在结构中 收稿 日期: 2 0 1 21 21 5 作者简介: 黄飞( 1 9 8 1 - )
5、 , 男 , 湖北 人 , 毕 业于华 中科 技大 学 , 本科 学 历, 工程师 , 现从事结构设计工作。 的重要 性 。鉴 于 节 点 的受 力 复 杂 性 和 位 置 的关 键 性 , 节 点 的计算 和构造应 给予 高度 的重 视 。 2 材 料本 构 材料 的本 构关 系是 反 映物质 宏观 性质 的数 学模 型 , 在一般结构分析中 , 本构关系通常指材料 的应力 一 应变关系 。混 凝 土 是 一 种 复 合 的多 相 材 料 , 内部 结 构非 常复 杂 , 进 行非线 性有 限元 分析 时 , 要 点在 于 从宏 观层 次上 研 究混 凝 土 的 强度 理 论 和 本构 关
6、系 , 单一 的非 线性 弹性 、 弹塑 性模 式很难 描述 这些 特征 , 而损伤力学则既可考虑混凝土材料在未受力时初始 裂缝 的存在 , 也可反映在受力过程 中由于损伤积 累 产 生 的裂缝 扩展 而导致 应变 软化 。 根据 混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 02 0 1 1 ) 附 录 c可知 , 在 重复荷 载作 用下 , 混 凝土应 力 一应 变 关 系如图 1 所示 , 受压 混凝 土卸载及 再加载 应力途径 按下式 确定 : o r=E ( 一占 : ) ( 1 ) E = ( 一 : ) ( 2 ) 占z=占 u n 一 ( ) ( 3 ) :m xf , 1
7、( 4 ) 盯 1 l n 图 1 重复荷载作用下混凝 土应力 应变关系 第 3期 黄 飞: 型钢混凝土异形 节点非线性分析研究 第 4 O卷 其中, 、 分别为受压混凝土的压应力和压应 变 ; s 为受 压混凝 土卸载至 零应力 点时 的残余 应 变 ; 、 分别为受压混凝土从骨架线开始卸载时 的应 力 和应变 ; 。 。 为 附加 应 变 ; 。 为 混凝 土 受 压 峰 值 应力 对应 的应 变 。 考虑到节点破坏时 , 破坏截面的钢筋或型钢 已 经 进入 塑性段 , 为 保 证钢 筋 和 型 钢 的应 力应 变 关 系 具有唯一性使非线性分析收敛 , 节点非线性有 限元 分析时型钢和钢
8、筋均采用各向同性的双线性随动强 化模型 , 模型考 虑了钢材的包辛格效应 。该模型的 节 点本 构关 系模 型如 图 2所示 。 J 0 0 1 E L 1 | 图 2 钢筋及型钢 的应力 一应变 曲线 混凝土在复杂应力状态下的破坏 比较复杂 , 但不论 何种 破坏 , 均 是 以混 凝 土 达 到极 限承 载力 为 标志。将混凝土的破坏包络曲面用数学函数加 以描 述 , 作 为判 定混 凝土破 坏 的条件 , 称为破 坏准 则 。混 凝土 的破坏 准则 一 般 用 混 凝 土 的 应力 状 态 的 函 数来表示 , 即: K 1 , K , K 3 , K ):0 ( 5 ) 式 中 , K
9、 、 K 、 K K 为反 映材 料性 质 的参 数 , 有材料 强度 试验 确定 。 式 ( 5 ) 中 的破 坏准 则在 以 9个应 力分 量 为 坐 标 的九维应 力空 间 中为一超 曲面 , 称为破 坏 曲面 , 破 坏曲面上的点为混凝 土发生破坏的临界点, 曲面外 的点表示混凝土已坏, 而曲面内的点代表混凝土尚 未破 坏 。 随 着混 凝 土多 轴 试验 数 据 的积 累 , 国 内外 研究 人员 提 出 了多 种混 凝 土破 坏 准 则 , 这 些 准则 的表 达 式采用不 同的变量 , 根据 国内外大量的混凝土多轴 强度试验数据 , 对按通用公 式计算 的理论值进行 比 较 ,
10、在计算值与试验值的相符程度、 适用的应力范围 和理论破坏包络面几何特征的合理性等方面加以评 定 , Wi l l a m & Wa r n k e 五 参数 准则 情况 良好 。因此 , 本文根据结构或构件的应力范围和准确度要求选用 五参数 Wi l l a m& Wa r n k e 强 度准则 。 1 2 3异形节 点分析 以实际异形节点为原型建模进行非线性分析, 研究 异形边 节点 的破坏情 况 , 得到节 点 的受 力机理 , 进 而提 出异 形 节 点 的抗 震 设 计 方 法 及 抗 震 构 造 措 施 。 由于有 限元 分析模 型 中的分离 式模 型可 以分别 对混 凝土 和钢材
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