型钢混凝土框架节点非线性有限元分析

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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53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200092)【摘要】利用有限元分析软件ANSYS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；ANSYS【中图分类号】TU375．4【文献标识码】B【文章编号】1001—6864【2010)09—0053—02型钢混凝土结构是指在型钢周围配置钢筋，并浇号)。由于该节点的构件截面尺寸突变

2、且配筋复杂，筑混凝土的结构。梁柱节点是框架结构中传力的重要为确保节点设计的安全性和经济性，应对节点钢筋混部位，对保证结构承载力和刚度起着重要的作用。研凝土结构进行空间有限元计算分析，来深入了解结构究表明，型钢混凝土梁柱节点在低周反复荷载下有较在设计荷载下的应力状态。好的刚度和延性，可防止节点脆性破坏，使节点区的抗2．2有限元建模震性能得到显著改善。本文基于大型通用有限元软件本文所做计算关注的问题是结构在给定荷载水ANSYS，简要介绍钢筋混凝土有限元建模方式及其收平下的应力水平及应力分布特征(所受荷载水平

3、由设敛控制方法，并以某设计院设计的一型钢混凝土框架计方提供)，而非结构的极限承载能力，因此在建模时节点为例，对其进行非线性有限元分析。做如下假定：①在给定荷载水平下钢筋与混凝土界面1非线性分析的收敛控制始终结合良好，不产生粘结破坏；②考虑在较大荷载作利用ANSYS进行钢筋混凝土非线性分析时，在混用下，由于材料非线性效应所导致的应力重分布，用弹凝土开裂前计算易于收敛。但是当混凝土开裂后随着塑性材料模型分别模拟钢筋及混凝土的非线性行为；荷载的增大收敛趋于困难。影响钢筋混凝土非线性计③框支柱及弦杆受力钢筋采用

4、分离式模型，斜向弦杆算收敛的主要因素有：Solid65单元的KEYOPT选项、采用整体式模型。分离式模型中，结合有限元单元网网格密度、子步数、收敛准则、求解设置等。格的划分，尽可能以独立的一维单元模拟单根钢筋，在在进行模型的网格划分时，网格密度会对分析的有限元单元划分困难时，则以截面等效的原则模拟多收敛产生影响。在容易出现应力集中的部位要避免过根钢筋的综合效果。小单元的出现。一般而言，混凝土单元尺寸不宜小于基于如上假设，利用ANSYS程序建立该节点的计50ram。并且在可能出现应力集中的部位应控制网格算

5、模型，混凝土用Solid65单元模拟，主要受力构件框密度不宜太大。支柱及弦杆中各受力钢筋用Link8单元模拟，次要受在利用ANSYS进行钢筋混凝土有限元计算时，一力构件斜向弦杆中的钢筋由Solid65单元中的配筋率般选择力的收敛准则而不同时使用位移收敛准则，否参数按等效弥散模式模拟，内包型钢采用Shell143单则会给收敛带来困难。同时可用CNVTOL命令调整元模拟。对混凝土Solid65单元，增大其抗拉强度以不收敛精度，以加速收敛减少计算时间。收敛精度默认考虑其混凝土开裂，并关闭压碎，使得计算更易收敛

6、。值是0．1％，根据计算精度一般可放宽到不超过5％，计算模型中混凝土的本构关系采用MISO多线性这样将提高收敛速度。等向强化模型，钢筋的本构关系采用双线性等向强化2型钢混凝土框架节点分析模型BISO。2．1节点概述2．3非线性计算分析结果该节点位于一根长约18．55m的型钢混凝土框支根据设计方要求，非线性计算荷载分两个水平方柱处，框支柱18．55m以下部分截面尺寸为1．8m×向的大震及中震，计算荷载由设计方根据SAP软件计1．6m，18．55m以上部分截面尺寸2．946mX1．6m。框算结果提取，荷载直

7、接作用于相应杆件上，不再考虑荷支柱18．55m到19．2m高度范围处长度为1．6m边的载组合系数。本文以Y方向大震为例，说明节点的应两侧面连接有截面尺寸为1．5mX0．65m两根弦杆，长力水平和应力分布特征。荷载取值见表1。梁柱节点度为2．946m边的侧面连接有截面尺寸为0．85mX的非线性计算结果见图1～图4。0．65m的两根斜向弦杆，如图1所示(数字为杆件编从应力云图可知，在Y向大震作用下，混凝土第低温建筑技术2010年第9期(总第147期)一主应力和第三主应力的最大值均出现在侧边斜向表1Y向大震荷

8、载取值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Mises应力绝对值最大处在斜向弦杆1621处，其最大等效应力值为45．4MPa，远低于型钢的屈服强度325MPa，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103MPa，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2混凝土第三主应力云图图3型钢Mise