ansys在半刚性连接钢管混凝土框剪结构设计中的应用

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1、高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集ANSYS在半刚性连接钢管混凝土框剪结构设计中的应用梁书亭1孙修礼2一、引言钢管伴以高强混凝土组合形成的钢管混凝土结构在高层建筑中得到日益广泛的应用，钢管混凝土框架剪力墙结构以其广泛的适应性以及良好的抗震性能成为常用的结构形式。钢管混凝土框架柱与梁之间的连接既非完全刚性，又非理想铰接，在荷载作用下都会表现出一定程度的半刚性llJ。半刚性连接使得钢管混凝土框架剪力墙结构与普通钢筋混凝土框架剪力墙结构有着明显的不同。半刚性连接减小了钢管框架的层间抗推刚度，使得结构

2、的水平位移加大。而且由于钢管混凝土框架刚度的改变，结构刚度特征值旯也随之发生变化，而结构刚度特征值旯对框架剪力墙结构的静力性能和动力性能都有着很大的影响肛J。因而在设计中有必要对半刚性进行考虑，研究半刚性连接的性能，在框架剪力墙结构设计中按照实际的半刚性连接来考虑，对于更准确地进行结构内力分析，保证结构体系的安全可靠具有重要的意义。同时可以推动对结构设计过程的重视，使设计能够更接近结构的真实情况。本文通过有限元方法研究了半刚性连接对钢管混凝土框剪结构的周期、位移和内力等的影响，对半刚性连接钢管混凝土框

3、剪结构的性能有了一定的了解，为设计和应用提供了参考依据，可供工程设计人员参考以更好地解决实际问题。半刚性连接的有限元模拟通用有限元分析软件ANSYS中的弹簧阻尼单元可以成功地解决半刚性连接的模拟问题。根据半刚性连接钢管混凝土框剪结构中梁柱连接处变形协调而且具有有限转动刚度的特点，采用如下方法建模：梁柱连接处建立同位置处的不同节点，耦合同位置处的不同节1．梁书亭，教授，博导，南京东南大学土木工程学院，2100962．孙修礼，博士研究生，南京东南大学土木工程学院，210096．．327．高强与高性能混凝土

4、及其应用专题研讨会论文集点使得梁柱在连接处变形协调。然后通过在这两个不同节点上建立弹簧阻尼单元可使节点具有有限的转动刚度【3】。半刚性连接钢管混凝土框架剪力墙结构主要由框架梁柱、剪力墙、链杆和连接节点组成。剪力墙用SHELL63单元模拟，该单元为弹性壳单元，具有弯曲和膜的特性，能够承受平面内和平面法向的荷载。单元的每一个节点具有6个自由度，即沿X、Y、Z方向的平动和绕X、Y、Z轴的转动；钢管混凝土梁拄均用BEAM3单元模拟，BEAM3是平面欧拉梁单元，单元的每一个节点具有3个自由度，即X与Y方向平动及

5、绕Z轴的转动；刚性链杆用LINKl单元模拟，该单元为平面杆单元，能承受轴向的拉力及压力但不能承受弯矩，每个节点具有X和Y位移方向的2个自由度，其刚性的假设通过加大链杆的弹性模量来实现；半刚性连接通过COMBINEl4单元来模拟，该单元为弹簧阻尼单元，可以应用于一维、二维或三维空间在纵向或扭转的弹性——阻尼效果。利用ANSYS中的APDL语言可以将每一层截面的应力结果积分为内力来求得结构的弯矩、剪力等。通过比较，用上述方法建立的有限元模型，当弹簧阻尼单元的刚度取值很小时其结果和按梁柱铰接建立的模型相同；

6、而当弹簧阻尼单元的刚度取值很大时其结果和按梁柱刚接建立的模型吻合，可知上述半刚性连接的建模是正确的。三、半刚性连接对框架剪力墙结构设计的影晌如图l所示20层的钢管混凝土框架剪力墙结构，层高为3m，剪力墙的厚度为200ram，框架梁的截面为300ram×600ram，钢管混凝土柱径为600mm，梁的线刚度和节点转动刚度的比值为口，其它尺寸如图所示(图中未注明尺寸为mm)。为便于计算，统一取弹性模量为3×1010N／m。，密度为2500kg／m’。为便于说明，通过图l所示的计算模型来研究半刚性连接对框剪结

7、构设计的影响，依次建立口=0，0．5，1，2，5五种不同连接刚度的有限元模型来研究半刚性连接对结构周期、位移和内力等的影响。__——

8、凸g口一k划i鲤鲤J图1计算模型图1．半刚性连接对周期的影响表1列出了五种有限元模型前十阶振型对应的自振周期，从表中可以看出：半刚性连接使得结构的基本自振周期增大，而且随着口的增大，基本自振周期的增长幅度趋缓。当口=O，即梁柱刚接时结构的基本自振周期为1．276秒，当口----2和5时，基本自振周期分别为1．669秒和1．739秒，当口大于2时，半刚性连接对基本自振周期

9、的影响已经很小。对比各模型的乃到为不难看出，高阶振型对应的自振周期受口的影响程度很小，可以忽略。．328-高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集表l各模型前十阶振型对应的自振周期单位(秒)＼I2345678910O1．2760．2630．1040．0900．0690．0590．0560．0380．0300．028●O．51．5020．2820．108O．09l0．0690．0590．0380．0350．028l1．5920．2870．1080．09l