型钢混凝土异形柱有限元建模研究

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1、铁道建筑RailwayEngineeringl66文章编号：1003—1995(2013)04—0166—03型钢混凝土异形柱有限元建模研究侯卫，郝丽，周雪峰(1．西安工业大学建筑工程学院，陕西西安710032；2．中联西北工程设计研究院，陕西西安710032)摘要：采用ANSYS软件对型钢混凝土异形柱试件的受力性能进行了非线性有限元数值分析，对型钢混凝土结构数值模拟中混凝土和钢材模型的定义、有限元建模、钢筋单元生成及后处理等关键技术进行系统研究，提出了一种快速建立型钢混凝土异形柱有限元模型的方法，以避免MESH过程中产生的单元不

2、共用节点、划分网格错误等所带来的模型不收敛。模型应用表明，型钢、纵筋、箍筋以及混凝土单元应力、应变分布及发展过程数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。关键词：型钢混凝土异形柱有限元分析中图分类号：TU502．6；TU528．571文献标识码：ADOI：10．3969／j．issn．1003—1995．2013．04．51把柱的截面设计成“L”，“r’'及“+”字形，使填充墙与柱肢同厚，形成异形柱体系，柱处不出现凸出的棱1型钢混凝土异形柱构件参数角，可显著提高空间利用率。普通钢筋混凝土异形柱本文所采用的型钢混凝土异形柱试件的加载方式虽

3、然具有建筑功能以及美学的优越性，但是由于其轴及纵向尺寸见图1，试件截面见图2，截面各部分尺寸压比限制低，抗震能力差，施工复杂，并且难以保证节和含钢率见表1。点处施工质量，很难在工程中推广。型钢混凝土由于在截面中配置了型钢，可使构件承载力、刚度显著提高，能够广泛应用于高层建筑，并且型钢混凝土具有很好的延性和耗能能力，适于地震区应用。我国现有的型钢混凝土结构设计规程尚不完善，计算理论还存在较多简化。因此，为较准确了解型钢混凝土结构构件受力性能，需要通过大量试验和有限元数值模拟进行结构分析。试验虽然不可替代，但是由于其成本高，周期长，并

4、不能大规模地进行，因此，本文采用ANSYS对型钢混凝土异形柱进行有限元数值模拟分析，并且与试验数据进行对比，以验证数值分析图1柱试件加载示意(单位：mln)的可行性与准确性。目前型钢混凝土的有限元分析还不完善，尤其是型钢混凝土异形柱这种截面形式不规则、配钢复杂、构件单元类型多。大部分文献仅给出了它的整体式实体I--——．■_广：ll建模，虽然也能够模拟构件，但是建模复杂、划分网格复杂并且不容易收敛。本文提出一种快速建立分离式r———’铁丝@5OI有限元模型的方法，经验证能够较好地与试验结果相吻合。Y●6，：5O=5O收稿日期：20

5、12-12-20；修回日期：2013·0l—l6余同基金项目：陕西省科学技术研究发展计划项目(2010K07—073)；西安工业大学校长基金(XAGDXJJ·06026)图2L／T截面配T形钢(单位：mm)作者简介：侯卫(1975一)，男，陕西西安人，讲师，硕士。2013年第4期侯卫等：型钢混凝土异形柱有限元建模研究167表1型钢混凝土异形柱的截面尺寸混凝土强度等级采用C30；翼缘型钢屈服强度为385MPa，极限强度为565MPa；腹板型钢屈服强度为图3混凝土本构关系示意290MPa，极限强度为435MPa；纵筋和箍筋的强度分别为

6、360和245MPa。2)破坏准则2ANSYS分析模型在ANSYS程序中，混凝土的破坏准则采用WillamWarnke5参数破坏模型。型钢混凝土异形柱建模时，由于截面形状不规则，3)使用方法和输入参数并且构件中含有纵向钢筋、箍筋、不同形式的型钢、具张开裂缝的剪力传递系数卢对计算结果影响较有离散性质的混凝土等多种材料，加载后容易出现不大，其值在0—1之间。对于型钢混凝土异形柱建议取收敛，所以，在建模之前应对单元类型、材料参数等进0．35～0．45。闭合裂缝的剪力传递系数一般取0．7行全面分析。—0．9。2．1单元模型2．2．2钢材材

7、料特性2．1．1混凝土单元型钢混凝土结构数值模拟中型钢和钢支座垫板的混凝土采用ANSYS单元库自带的八结点六面体本构关系采用多线性随动强化模型(MKIN)，此模型单元即Solid65单元。每个节点有3个自由度，即，Y，为多线性的应力一应变曲线，模拟随动强化效应，并且z3个方向的线位移。该实体模型可具有拉裂与压碎考虑包辛格效应。此模型适用于服从Mises屈服准则的性能。在混凝土的应用方面用单元的实体性能来模的小应变分析，所以作为型钢和钢支座的材料模型比拟混凝土。较真实。型钢和垫块采用单轴应力一应变关系，为多2．1．2钢筋单元折线型，

8、见图4(a)；纵筋和横向箍筋采用双线性随动钢筋单元在与混凝土组合后，无论是模型的网格强化模型(BKIN)，单轴应力一应变关系为理想弹塑性划分还是分析钢筋内力都需要考虑到两者的相互作模型，见图4(b)。用。钢筋与混凝土的组合建议采用分离式模型，位移协