方钢管混凝土柱节点力学性能有限元数值分析.pdf

2 0 1 2年第 3期( 总 1 8 4期 ) 安徽建筑 安 徽 建 筑 1 0 0- 8 0 - 6 0 — 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 t 0 0 梁端位移 ／ m m 5 0 0 l X1 ． E 3 4 0 0 30 0 2 0 0 l o o 纂 。 ． 1 0 0 - 2 0O - 3 00 _ 4 OO 00 ．’ 0 0． 8 0 壤0 - 4 0 ． 2 0 0 2 0 4 O 6 O 8 O 1 O O 梁端 位移 ／ mm 图 3 不同含钢率下梁端荷载 一位移滞 回曲线 例很小， 说明试件满足“ 强柱弱梁” 的抗震要求。节 设 点区梁的上下翼缘与钢管壁处应变比较大 ， 为避免 产生过高的应力集中现象， 建议在今后进行节点设 研 计时应采取适当加强措施以改善。 图 3所示为循环加载作用下钢管混凝土梁端 笛 荷载一 位移曲线。 它要比钢筋混凝土结构中常见的 捏缩型滞回环的耗能性能好得多。 随着梁端位移的 囫 加大， 滞回曲线越来越饱满， 此类节点具有良好的延性， 塑性和韧性性能优 于钢筋混凝土结构， 能够应用于抗震。有限元计算结果与试验结果的耗能 规律基本上是一致的，表明A B A Q U S有限元法分析节点力学性能是有效 的。 图 4 所示为循环加载作用下构件耗能性能有限元计算结果。 从图中我 们可以看出曲线的斜率越来越大， 表明各试件耗能能力都随循环数的增大 而增大。两条曲线对比发现， 不同含钢率下构件耗能是有差异的， 在加载前 期基本一致 ， 曲线重合； 当进入塑性阶段以后， 构件的耗能能力随着含钢率 的增大而增大， 但效果并不是很明显 ， 因此在今后的节点耗能设计中可以 作为次要因素考虑。 3结语 ①采用非线性有限元理论研究了循环加载作用下方钢管混凝土柱节 点的受力性能， 计算结果与试验结果基本一致， 从而验证了模型中采用的 单元类型、 材料本构和接触分析的可行性和合理性 ， 也进一步明确了方钢 管混凝土柱节点的力学性能和工作机理 ， 为理论分析和工程实践提供了有 力 的参考依 据。 ②钢管混凝土柱节点试件具有良好的延性 ， 耗能性能良好， 且耗能能 力都随循环数的增大而增大。参数分析表明， 单纯的增加钢管的厚度来提 高耗能能力并不能取得很好的经济效果。 参考文献 【 1 】 聂建国， 秦凯， 肖岩．方钢管混凝土柱节点的试验及非线性有限元分析【 J 】 ．工程力 学， 2 0 0 6 ( 4 ) ． 【 2 】 赵大伟， 石永久， 陈宏． 低周往复荷载下梁柱节点的试验研究田． 建筑结构, 2 0 0 0 ( 9 ) [ 3 】 王文达． 钢管混凝 土柱 一钢梁平 面框架 的力学性能研究【 D 】 ． 福州： 福州大学，2 0 0 6 ． [ 4 ] H a j j a r J F ， S c h i l l e r P H ， Mo l o d a n A． A d i s t ri b u t e d p l a s t i c i t y mo d e l f o mo n c r e t c - fi l l e d s t e e l t u b e b e a m— c o l u mn s w i t h i n t e r l a y e r s l i p [J ] ． E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e ， 1 9 9 8 ( 8 ) ． f 5 ] B a n g a s h M Y H ． C o n c r e t e a n d c o n c r e t e s t r u c t u r e s ： n u me ri c M mo d e ll i n g a n d a p p l i c a t i o n s [ M] ． E l s e v i e r A p p l i e d S c i e n c e ， L o n d o n ， 1 9 8 9 ． ( 上接 第 1 6 8页) 节点力向量； d e 为节点位移向量。 将式( 1 ) 、 ( 2 ) 代入虚功方程( 3 ) ， 将式( 4 ) 、 ( 5 ) 代人虚功方程( 6 ) 并整体集成可得 ( K E +K ( d=F—R 式中： 为线弹性切线刚度矩阵； K 。 为几何非 线性切线刚度矩阵； d为节点位移向量； F为节点 力 向量 ； R为初应力 向量 。 采用 N e w t o n — R a p h s o n法进行数值求解即可。 在求解过程中， 仅考虑结构的几何刚度( 由初始预 张力产生的刚度) ，保持索和膜的应力值始终为初 始预应力值。 2 工程实例 上海世博轴如图 1 所示， 南北长 1 0 4 5 m， 东西 宽地 下 9 9 ． 5 m ～ 1 1 0 ．5 m，地 面以 8 0 m，总建筑 面积 2 2 7 1 6 9 m 2 ， 其中地上 4 2 8 7 7 m ： 。由4层平台、 索膜结 构屋盖和 6个阳光谷组成。 其中索膜结构屋盖是整 个结构中最核心的部分， 约 8 4 0 m长， 最大跨度约 l O O m， 总面积约 6 4 0 0 0 m 2 。组成索膜屋盖的基本单元体如图2所示， 该单元 呈中央低四周高的漏斗形锥面， 由边索、 脊索、 悬索、 中桅杆和膜面及支撑 体系组成。 基于 V i s u a l c + +语言编制可视化程序 ， 对此屋面进行找形分析， 划分 网格并设定试探形状 ， 得 到最终找形结果 ． 如图 3所示 。 3结语 本文基于修正的拉格朗日格式建立了索膜结构非线性有限元方程， 并 世博轴张拉索膜结构进行了找形分析。在找形分析的基础上可对索膜结构 进一步进行荷载分析和剪裁分析。 参 考文献 【 1 】 张其林． 索和膜结构【 M 】 ． 上海： 同济大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 卫东， 沈士钊． 薄膜结 构初始 形态 确定的几种分析方法研究【 J J _ 哈尔滨建筑 大学 学报， 2 0 0 0 ( 6 ) ． H a u g E ， P o w d l G H． F i n i t e E l e me n t a n a l y s i s o f n o n l i n e a r m e mb r a n e s t r u c t u r e s 【 A】 ． 1 A S S P a c i fi c S y m p o s i u m o n T e n s i o n S t r u c t u r e s a n d S p a c e F r am e s [ C 】 ． T o k y o and Ky o t o，1 9 71 ． 周树路， 叶继红． 膜结构找形方法——改进力密度法[J 】 ． 应用力学学报， 2 o o 8 ( 3 ) ． 喜 } 枷喜 ； { 寻伽。 喜 } 枷喜 } 髓 z 销挺薅 虽