型钢混凝土柱的非线性有限元分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 4年第 2期 ( 总第 1 6 1 期 ) 5 型钢混凝土柱的非线性有限元分析 陈 赘 ． 5 ,1 平 ( 扬州大学建筑科学与工程学院 。 江苏扬州2 2 5 1 2 7 ) 『 摘 要1 型钢混凝土柱在现代建筑中越来越多的被采用， 以解决普通钢筋混凝土柱在高轴压比下抗震不利的状况。文章 基于通用非线性有 限元软件 A B A Q U S对型钢混凝 土柱进行水平荷载作用下单调加 栽全过程模拟 ． 研 究 了对 于型钢混凝 土结 构的单元选择 。 材料本 构关系的选取。计算结果表明 ， 型钢混凝土柱具有较高的承裁能力， 较大刚度 ， 骨架 曲线下降段较 为平 缓． 具有较好的延性和较好 的耗 能能力。 f 关键 词1 型钢混凝土柱； 有限元分析； A B A Q U S [ 中Il i t ~类~ ] T U 3 1 6 【 文献标t q ~] A 【 文章~ - ] 1 0 0 5 — 6 2 7 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 — 0 0 5 1 — 0 3 No n -l i n e a r Fi ni t e El e me nt Ana l y s i s o f S t e e l Re i n f o r c e d Co nc r e t e Co l u mn CHE N Yu n L I U P i n g ( C o l l e g e o f C i v i l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Y a n g z h o u U n i v e r s i t y ， Ya n g z h o u J i a n g s u 2 2 5 1 2 7 C h i n a ) Ab s t r a c t ：S t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn a r e mo r e a n d mo r e u s e d i n mo d e m a r c h i t e c t u r e ，i n o r d e r t o s o l v e t h e u nfa v o r a b l e a n t i - s e i s mi c s i t u a t i o n o f o r d i n a r y r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l u mn u n d e r h i g h a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o ． B a s e d o n t h e g e n e r a l n o n l i n e a r f i n i t e e l e me n t s o f t w a r e A B A Q U S f o r s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s u n d e r t h e a c t i o n o f h o ri z o n t al l o a d i n g mo n o t o n i c l o a d i n g p r o c e s s s i mu l a t i o n ，i t s t u d i e d t h e u n i t for s t e e l r e i nfo r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s e l e c t i o n ，ma t e r i al s e l e c t i o n o f c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t e e l r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l u mn wi t h h i g h b e a rin g c a p a c i t y ，l a r g e s t i f f n e s s ， s k e l e t o n c u r v e s d e c l i n e p e rio d o f r e l a t i v e l y fl a t ， h a s g o o d d u c t i l i t y a n d g o o d e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y ． Ke y wo r d s ：s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn ； f i n i t e e l e me n t a n al y s i s ； A B AQ U S 0 引 畜 随着经济 的发 展 ． 高层 、 超高层建筑不 断增加 。 传 统的 钢筋混凝土结构形式已经不能适应于高层 、 超高层建筑 ， 因 为超高层建筑结构底部柱子所受轴向力很大 ．由于受到轴 压 比的影响 ． 必然使结构底部柱 的截 面尺寸非常大 ． 不仅减 少使用面积影响使用功能 ．也容易形成不利于结 构抗 震的 短柱 。型钢混凝 土 ( S t e e l R e i n f o r c e d C o n e r e t e 。 S R C) 结构 是 钢和外包钢筋混凝土 2种材料的组合体 ． 其 中配置型钢 ( 轧 制或焊接 形钢 ) 、 纵 向钢 筋和箍筋l l l 。与钢筋 混凝土结 构相 比． 型钢混凝 土结 构不仅强度 、 刚度明显增加 ． 而且 型钢混 凝土结构的延性和耗能能力也有很大的提高。 若在 高层 、 超 高层建筑底部几层采用型钢混凝土柱能较好 的解决 高层建 筑底部柱子在高轴压 比下的抗震问题 因此 ． 型钢混凝土柱 在现代建筑中得到 了较为广泛的应用12 1 随着计算机技术的发展 ．借助非线性有 限元 软件可实 现对型钢混凝土结构进行受力全过程模 拟 ．能准确而全面 的研究荷载作用下型钢混凝土柱的受力性能 ．本文将采用 A B A Q U S基于三维单元理论对型钢混凝土柱进行非线性分 析．其研究结果 为此类构件在抗震设 防区的推广使用提供 参考。 1 分析对 象 本 文选 取 的分析 对象 尺寸 参数 及配 筋参数 如 图 l 所 J _ _l A． A 图 l 试件尺寸及截面配筋图 [ 收稿日 ~] 2 0 1 3 ． 1 2 ． 1 0 【 作者简介】 陈 赞 ， ~ ( ( 1 9 8 8 一 ) ， 扬 州 大 学 建 筑 科 学 与 工 程 学 院 ， 硕 士 研 究 生 。 r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 江苏建筑 2 0 1 4年第 2期( 总第 1 6 1 期 ) 示。 混凝 土强度等级 为 C 3 0 ． 混凝 土保护层厚 度 2 5 mm。 钢筋 采用 H R B 4 0 0 ． 型钢 采用 Q 2 3 5钢材 ． 轴压 比取 0 ．4 。 2 本构关 系 2 ． 1混凝土本构关系 A B A Q U S中提供 了多种可以用来描述混凝土 的本构关 系模 型 ． 主要 有 3种 ： 分别为混凝 土损伤塑性 模型 ． 弥散 裂 纹模 型． 脆性 破裂模型。本文采用混凝土损伤塑性模型 ， 在 分析时采用清华大学过镇海 [3 1 4 1 等人提 出的混凝 土单轴 应 力一 应变关系 混凝 土单 轴受 压时应力一 应 变关 系表 达式 为 ： 【％ + f3 — 2 ‘ ( 昙 )2 + 2 J ( )3 J ≤ r 1 O- = f ~ ￡ ≥￡ 式中 为混凝土 的单轴抗 压 强度( N ／ m m 2 ) ； 6 c 为与 相应 的混 凝土峰值 压应变 ； O t 、 分 别为单轴 受压应 力一 应 变曲线上升段 、 下 降段 的参数值 。 混凝 土单轴受拉时应力一 应 变关 系表达式 为 ： [ 1 ．2 2 ≤ O- = f , 占 S ‘ 1 7 『 旦一 1 ]+ 旦 ‘ 【 岛 J ‘ 8≥ 8 t ( 2 ) 式 中 为混凝 土的单轴抗拉 强度 ( N ／ mm 2 ) ； 8 t 为与 相 应 的混凝 土峰值拉应变 ； 为单轴受拉下 降段参数值 。 2 ． 2 钢材本构关 系 工字 钢 、 纵筋和箍筋均采用理想弹塑性[5 1 6 1 本构模 型 ， 其 应力一 应变表达式 为 ： Ey <6s = { E 6 t y < 8 , < B ( 3 ) l y 8s <8 y 式中 和厂 分别为抗拉和抗压屈服强度， E | 为钢材的 弹性模量 ， 和 分别为抗拉和抗压屈服应变 。 3 有 限 元模 型 建 立 本文混凝土采用 的是减 缩积分单元 C 3 D 8 R ( 8节点减 缩积 分实体单元 ) ； 模 拟钢筋时 ， 选用 的空间单元 中 的 2节 点线 性三维 桁架 单元 ( T 3 D 2 ) ； 采用 完全积 分 、 有 限薄膜 应 变的 四边形单元 S 4 R单元模拟 H型钢 试件模型 的柱底部嵌 固．约束柱底 的 3个 平动 自由度 和 3个转 动 自由度 。 在柱顶施加 了轴力 ， 为了防止混凝土压 溃导致计算结果不 收敛 ． 在柱顶加一个刚性垫板 ． 在垫板上 施加竖 向荷载 和水平位移 。 H型钢和钢筋笼使用嵌入约束 ( e m b e d d e d ) 与混凝土连 接 ， 使之共同受力 ， 符合 实际工作原理 。试件 的网格划分如 图 2所 示 4 计算结果与分析 图 2试件 网格划分 阐 图 3 最 大 塑 性 应 变 云 图 4 ． 1 最大塑性 应变( P E MA G) 云图 图 3给出了个部件的最大塑性应变云 图。从图中可 以 看 出． 在水平荷 载和竖向荷载共同作用下 。 型钢 混凝土柱 的 最大塑性应变 出现在柱底 ． 柱底屈服 。 形成 塑性 铰。在塑性 铰之外 ．试件 的应变较小 ．表明型钢混凝 土柱 刚度相对较 大 ． 整体工 作性 能较 好。 4 ． 2 骨架 曲线 型钢混凝土柱模型试件 的骨架 曲线 如图 4所示 。骨架 图 4 骨架 曲线 一旦 一 + 一 ， 旦生 一 旦 一 嘞 ■- - ．_I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 2期( 总第 1 6 1 期 ) 5 3 曲线反 映了结构主要受力 阶段 的特性 ： 线 弹性 阶段 ， 结 构侧 移小 ， 刚度 变化不大 ； 屈服 阶段 ， 刚度 随位移增加 而大 幅度 降低 ； 破 坏阶段 ， 峰值荷载 以后 ， 骨架 曲线 下降较为平缓 ， 结 构具有 良好 的延性 5 结 论 本文通过对型钢混凝土柱基于三维单元理论进行 非线 性有 限元模拟 ． 分析结 果表明 。 由于型钢混凝土柱 中有 型钢 骨架 的共 同作用 ． 型钢混凝 土柱 具有较 高的承载能力 ． 较大 的刚度 ． 骨架 曲线下 降段较为平缓 ， 极 限位 移较大 ， 具 有较 好 的延性和耗能能力 参 考文献 【 1 】 J G J 3 — 9 1钢筋 混凝土 高层 建筑结 构设计 与施工规 程【 s ] ． 中国建筑工业 出版社． 1 9 9 1 ． 『 2 1杨 佳 林 ．型钢 混凝 土柱 的 工程 应 用及 配 置 不 同截 面型 钢 的分析研 究[ D I ． 太原理工 大学． 2 0 0 7 ． 『 3 1过 镇 海 ．混 凝 土 的 强 度 和 变 形 一试 验 基 础 和 本 构 关 系 『 M1 ． 清华 大学出版社 ， 1 9 9 7 ： 2 5 — 6 3 ． 『 4 ] G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2混凝土结 构设 计规 范『 S 1 ． 中 国建筑工 业 出版社 ． 2 0 0 2 ：4 1 - 4 2 ． [ 5 】 J ． B a u s c h i n g e r ． V a ri a ti o n s i n t h e E l a s ti c L i mi t o f I r o n a n d S t e e 1 ． J o u r n al o f I r o n a n d S t e e l I n s t ． 1 8 8 7 ．1 ： 4 4 2 -4 4 4 ． 『 6 1 K．W ．Ka ~e n ，Co me r P r o p e r t i e s o f Co l d—fon n e d S t e e l S h a p e s ．J o u ma l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，A S C E ．1 9 6 7 ， 9 3 ( S T1 ) ：4 0 1 ~ 4 3 2 ． ( 上接第 7页) 原有 多层居住小 区的不足 而出现 。 但是伴随而来 的问题是 ， 开发商 在住宅用地减少 的情况下 ．往往 只得通过不 断提高 建筑单体层数 ． 来获得房地产项 目利益的最大化 ， 过高 的建 筑 高度 同样 阻碍 了外部 的风进入居住 区内部 ．因此虽 然有 环境优美 同时面积较 大的居住 区公 共空 间．内部 的风 环境 现状却 不甚 良好 5 结 论 根据 以上现状评估结果 ． 排除 3个居住 区模式选 择的 特 殊性 ．可以看 出单纯 的具有大量公共空 间的高 密度 住区 以及缺 少公共 空间 的 中密 度住 区都不 能获得 良好 的风 环 境 ． 城 中村居住模式虽然看似风环境相对较好 ， 但是综 合城 中村恶劣的卫生 条件 、脏乱差 的环境状况 以及不稳定 的居 住 人 I：1．给城市带来 的诸 多负 面影 响．因此并不应提倡保 留。在此基础上 ．今后 的研究可在 几个方面尝试进一 步开 展 ： 随着 自然资源的锐减以及人 口的增长 ， 居住 区高密度化 的趋势 不可避免 ．但仍应避免建设过于单一 的高层或 多层 住 区 ．与城 中村类似 的低密度 的居住组合形态仍 可作 为在 高密度或 中密度 住 区中的一 种组合模式 尝试加 以运用 ． 用 以改善 局部 风环境 ： 其次 ． 对于现有 的城 中村这类居住 区的 改 造 ． 可考虑 以改善基础设 施为着眼点 ． 适 当保 留其局 部风 环境较好 的居住组合形态 参 考文献 【 1 】 A r c h i t e c tur a l I n s ti t u t e o f J a p a n ． ( 2 0 0 7 ) AU G u i d e b o o k f o r Pr a c tic al Ap pl i c a ti on s o f CF D t o Pe de s t r i a n W i n d En vi r o n- me nt a r o un d Bu i l d i n g s ． 【 2 】A mfi e l d AJ ． ( 2 0 0 3 ) ． T wo d e c a d e s o f u r b a n c l i ma t e r e - s e a r c h：a r e v i e w o f tur bu l e nc e ，e xc h a n ge s of e ne r g y a nd wa t e r ， a n d the u r b a n h e a t i s l a n d ． I n t e rna t i o n al j o u ma l o f c l i ma t o l o gy， 2 3，1 —26． 【 3 】 B l o c k e n B ． ， J a ms e n W ． D． and v a n Ho o ff T． ( 2 0 1 2 ) ． C F D s i mu l a ti o n for p e d e s t r i a n wi n d c o mf o r t a n d wi n d s a f e t y i n D r - b a n a r e a s ： Ge n e r a l d e c i s i o n fr a me wo r k a n d c as e s tu# for t h e E i n d h o v e n Un i v e n i ty c a mp u s ．En v i r o n me n t a l Mo d e l l i n g & So f t wa r e ，3 0，1 5-3 4． [ 4 ] E u r o p e an E n v i r o nm e n t A g e n c y ． ( 2 0 1 0 ) T h e E u r o p e a n e n — v i r o n m e nt — s t a t e a n d o udo ok 2 01 0：u r ba n e n v i r onme nt ． [ 5 ] E u r o p e a n E n v i r o nm e n t Ag e n c y ． ( 2 0 1 0 ) E u r o p e a n Un i o n e — mi s s i o n i n v e nt o r y r e po r t 1 99 8— — 2 00 8 u nd e r t he UNECE c o n— v e n fi o n o n L o n g — r a n g e T r a n s b o u n d a r y A i r P o U u ti o n( L P ． T A P ) ． 【 6 ]G ri mmo n d C． S ． B ．a n d Ok e T ． R． ( 1 9 9 9 ) ． A e r o d y n a mi c Pr o pe r t i e s o f Ur ba n Ar e a s De riv e d f r om An alys i s of S ur f a c e F o r m． J o u rna l o f a p p h e d me t e o r o l o gy， 3 8 ， 1 2 6 2 — 9 2 ． [ 7 ]7 Ho p p e P ． ( 2 0 0 2 ) ． Di ff e r e n t a s p e c t s o f a s s e s s i n g i n d o o r a n d o u t d o o r t h e r ma l c o mf o r t ． En e r gy a n d Bu i l din g s ， 3 4 ， 6 6 1 —5 ． [ 8 】8 Hu s s a i n M． a n d L e e B ． E ． ( 1 9 8 0 ) ． A wi n d tun n e l s t u d y o f the me a n pr e s s u r e f or c e s a c ti ng on l a r ge g r o up s o f l o w — — ris e b u il d i n gs． J o u ma l o f Wi n d E n gin e e r i n g a n d I n d u s t ri a l A e r o d y — na mi c s ，6， 20 7-2 5． 【 9 】9 I n t e r g o v e mme n t a l P a n e l o n C l i ma t e C h a n g e ． ( 2 0 0 7 ) I P CC Fo urth As s e s s me nt 1 ~e po rt：Cl i m a t e Ch a n ge 20 0 7． 【 1 0 】K u b o t a T ． ，Mi u ra M． ，T o mi n a g a Y．a n d Mo c h i d a A． ( 2 0 0 8 ) ． Wi n d tun n e l t e s ts o n the r e l a ti o n s h i p b e t we e n b u il d i n g d e n s i ty an d p e d e s t r i an — — l e v e l wi n d v e l o c i ty：De v e l o p me n t o f g u i d e l i n e s for r e al i z i n g a c c e p t a b l e wi n d e n vir o n me n t i n r e s i d e n — t i a l n e i g h b o r h o o d s ． Bu i l d i n g a n d En v i r o nme n t ， 4 3 ， 1 6 9 9 —7 0 8 ． 【 1 1 】 Me n t e r F ． R． ， Ku n t z M． and L a n g t r y R． ( 2 0 0 3 ) ． T e n y e a r o f I n d u s t r i a l E x p e ri e n c e wi t h t h e S S T Tu r b ule n c e M o d e 1 ． Tu r b u l e n c e ， He a t a n d M ass Tran s f e r 4 ， 6 2 5 — 3 2 ． 【 1 2 ] Ok e T． R．B o u n d a r y l a y e r c l i ma t e s ．2 n d e d ．US A ： M e thue n，I nc ． ；1 98 7． 【 1 3 】 S p a guo l o J ． and d e De a r R． ( 2 0 0 3 ) ． A fi e l d s tud y o f t h e r - ma l c omf ort i n o ut doo r an d s e mi-o ut do or e n v i r o nme n ts i n s u b t r o p i c al S y d n e y Au s tr a li a ．B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ，3 8 ， 7 21 -38 ． 【 1 4 ] T o m i n a g a Y． ， Mo c hid a A． ， Y o s h i e R． ， K a t a o k a H． ， No z u T． ， Yo s h i k a w a M． ， e t a1 ． ( 2 0 0 8 ) ． A U gui d e l i n e s for p ra c ti c al a p p l i c a tion s o f CF D t o pe d e s t r i an wi n d e n vi r o nme nt arou nd b u il di n gs． J o u mal o f Wi n d E n gin e e r i n g a n d I n d u s t r i al Ae r o d y - na mi c s ，9 6，1 74 9—61 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m