受压弯异形截面型钢混凝土柱力学性能有限元分析.pdf
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1、2 0 1 3年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 13 9 文章 编号 : 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 1 3 9 - 0 4 受压弯异形截面型钢混凝土柱力学性能有 限元分析 潘朝 阳 , 樊宝锋 , 李 蕊 ( 1 深圳科宇工程顾 问有 限公 司 , 广东 深圳5 1 8 0 8 1 ; 2 北京交通大学 土木建筑工程学 院 , 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要 : 本文以万邦 中心 1 楼外框筒采用的异形型钢混凝土柱为研 究背景, 利用 A N S Y S建立了异形型钢 混凝 土柱 的组
2、合 式有 限元模 型 , 对其 受力性 能进 行 了分析 , 描 述 了型钢 与混 凝土 的应 力和 应 变分布 状 态 及构件混凝土裂缝发展过程。着重分析 了异形型钢混凝土柱在压 弯受力状 态下, 混凝土强度、 含钢率和 轴压 比等 因素 对构 件 受力性 能 的影 响。 关键词 : 外框筒 异形型钢 型钢混凝土柱 受力特性有限元 中图分类号: T U 3 7 5 2 文献标识码 : A D O I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 7 4 4 1 工 程 概 况 万邦中心地处行政商务 中心黄金地段 , 南邻浮山 湾, 西傍太
3、平山, 东为世界贸易中心, 工程由 1 、 2 塔楼 及 4层裙房组成。其 中, 1 楼高度为 2 3 2 4 m, 为商业 写字楼 ; 2 楼 高度为 1 0 0 0 I n , 为高级公寓住宅 ; 裙 房 高度约 2 1 0 n l , 主要 为 商 场 及 配 套 设 施 。如 图 1 所 示 。 图 1 整体效果 1 楼为超高层结构, 地下 4层 , 地上 5 2层 , 采用带 伸臂桁架并结合 巨型支撑 的型钢混凝 土组合框架结 构。为了满足建筑功能要求 , 外框筒角部均采用形如 鱼钩 的异 形 截 面 型 钢 混 凝 土 柱 , 含 钢 率 均 在 1 7 左 右 , 采用混凝土等级
4、为 C 6 5 , 钢材等级为 Q 3 4 5 B 。截面 如图 2所示 。 对于这种异形的型钢混凝土柱 , 还未见相关的系 收稿 日期 : 2 o 1 2 - 1 1 - 2 5; 修回 日期: 2 o 1 3 - 0 3 - 2 5 作者简介 : 潘朝 阳( 1 9 6 5 一) , 男 , 贵州贵 阳人 , 高级工程师。 ( a )I 类 ( b )类 图 2 典 型异形型钢混凝土柱截面示意 统研究。在工作状态中, 由于钢和混凝土相互作用 , 其 受力形式复杂且影 响因素较多 , 因此对这种型钢混 凝 土组 合柱进 行 有 限元 分 析 , 了解 这种 组 合 柱 的受 力 性能和破坏模
5、式是十分必要 的, 并最终科学评价该种 结构形式 的安全性和可靠性。 本文利 用大型有 限元 软件 A N S Y S , 建 立这种 异形型钢混凝 土柱 的有 限元 模 型, 并进 行非线 性分 析。通过计算 得到该 柱 的极 限承 载力 以及 混凝土 、 型钢的应 力分 布模式 和应变发 展情 况。同时, 进 一 1 4 0 铁道建筑 步 分析 了异 形 型 钢 混 凝 土 柱 在 压 弯 受 力 状 态 下 , 混 凝土强度 、 含 钢率 和轴压 比等 因素 对构件 受力性 能 的 影 响 。 2异型钢混凝 土柱有 限元模型 在建立有 限元模型时 , 采用组合式 的方法 , 即 分别选用
6、不同的单元来模拟混凝土、 型钢和钢筋 , 并且 忽 略 它们之 间 的粘结 滑移影 响 。这 主要是 因为 型钢 与 混 凝 土 有 足 够 的 栓 钉 连 接 , 认 为 它 们 能 较 好 地 共 同 工 作 。 2 1 模 型 单元 类型 本文采用 S O L I D 6 5单元模拟混凝土 , 此单元是 八节点六面体单元 , 具有塑性变形能力 , 能够在 3个正 交方 向上 开裂 以及压 碎 。能较 形象 地描 述混凝 土 的带 裂缝 工作 性 能 , 与 实 际情 况 较 接 近 。钢 筋 采用 2节 点 三维杆元 L I N K 8来模拟 , 它 能承受单轴 拉力和压 力 , 不能承
7、受弯矩和剪力, 具有塑性变形能力 。钢骨采 用 8节点六面体单元 S O L I D 4 5来模拟 , 这主要是因 为 S O L I D 4 5单元 可 以 用 于 大 变 形、 大应 变 和 塑性 分 析 。 2 2材 料本 构模 型 结 构材 料 的本构 关系对 结 构 的有 限元 分析结 果 有 重大 的影 响 , 如 果所 选 用 的本 构 关 系 不 能很 好 地 反 映 材料的各项力学性能 , 那么, 其他计算再精确也无法反 映结 构 的实际 受力特 征 。 采用 美 国学者 H o g n e s t a d建 议 的混 凝 土单 轴 受 压 应力 一应 变关 系 曲线 。A
8、N S Y S程 序 中混 凝 土 采 用 Wi l l a m Wa r n k e五参数破坏准则 , 混凝土开裂 的处 理采用弥散 裂缝 模式 。当混凝 土单元 在某 个积分 点处 的应力状态达到单轴、 双轴或三轴应力极 限时, 即 认 为该 点被 压碎 。 混凝土强度等级为 C 6 5, 型钢和钢筋的强度 等级 为 Q 3 4 5 b , 采 用 理想 的弹 塑 性本 构模 型 。在 本 文 中 的 模 型采 用双线 性 随动强 化模 型 , 该模 型遵 守 V o n Mi s e s 屈 服准则 。 2 3有 限元 模型 模型的几何尺寸 : 柱的长度为 8 4 0 mm; 截面边长
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