型钢混凝土异形柱有限元建模研究.pdf

l 66 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 1 6 6 0 3 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7 1 0 0 3 2 ； 2 中联西北工程设计研究院 ， 陕西 西安7 1 0 0 3 2 ) 摘要 ： 采用 A N S Y S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 ME S H过程 中产 生的单元 不共用节点、 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 ： T U 5 0 2 6 ； T U 5 2 8 5 7 1 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 4 5 1 把柱的截面设计成“ L ” ， “ rr 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 角 ， 可显著提高空间利用率。普通钢筋混凝土异形柱 虽然具有建筑功能以及美学的优越性 ， 但是 由于其轴 压比限制低 ， 抗震能力差 ， 施工复杂 ， 并且难以保证节 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 ， 并不能大规模地进行 ， 因此 ， 本 文采 用 A N S Y S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 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 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 有限元模型的方法 ， 经验证能够较好地与试验结果相 吻合 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 2 - 2 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 3 0 l l 6 基金项目： 陕西省科学技术研究发展 计划项 目( 2 0 1 0 K 0 7 0 7 3) ； 西安 工 业大学校 长基金( X A G D X J J 0 6 0 2 6 ) 作者简介 ： 侯卫 ( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 陕西西安人 ， 讲师 ， 硕士 。 1 型钢混凝土异形柱构 件参数 本文 所采 用 的型钢混凝 土异形 柱试件 的加 载方式 及 纵 向尺寸见 图 1 ， 试 件 截 面见 图 2 ， 截 面 各部 分 尺 寸 和含钢 率见 表 1 。 图 1 柱试件 加载示意 ( 单位 ： m l n ) I - - _ 广 ： l l r 铁丝5 O I Y 6 ，：5O =5O 余同 图 2 L T截 面配 T形钢( 单位 ： m m) r 2 0 1 3年第 4期 侯卫等 ： 型钢混凝土异形柱有限元建模研究 1 6 7 表 1 型钢混凝土异形柱的截面 尺寸 混凝土强度等级采用 C 3 0； 翼缘型钢屈服强度为 3 8 5 MP a ， 极限强度为 5 6 5 MP a ； 腹板型钢屈服强度为 2 9 0 MP a ， 极限强度为 4 3 5 MP a ； 纵筋和箍筋 的强度分 别 为 3 6 0和 2 4 5 MP a 。 2 AN S Y S分析模 型 型钢混凝土异形柱建模 时， 由于截面形状不规则 ， 并 且构件 中含有 纵 向钢 筋 、 箍 筋 、 不 同形 式 的 型 钢 、 具 有离散性质的混凝土等多种材料 ， 加载后容 易出现不 收敛 ， 所 以， 在建模之前应对单元类 型、 材料参数等进 行 全 面分析 。 2 1单元模 型 2 1 1混凝 土单 元 混凝土采用 A N S Y S单元 库 自带 的八结点六面体 单元即 S o l i d 6 5单元 。每个节点有 3个 自由度 ， 即 ， Y ， z 3个方 向的线位移。该实体模型可具有拉裂 与压碎 的性能。在混凝土的应用方面用单元的实体性能来模 拟混 凝土 。 2 1 2钢 筋单 元 钢筋 单元 在与 混凝 土 组 合 后 ， 无 论 是模 型 的 网格 划分还是分析钢筋 内力都需要 考虑到两者的相互作 用。钢筋与混凝土的组合建议采用分离式模 型， 位移 协调。把钢筋和混凝土作为两个单元进行建模 ， 单元 之间共用节点 ， 以实现整体工作过程中自由度的耦合。 两者的刚度矩阵是分开来求解的。考虑到钢筋是一种 细长材料 ， 通常可以忽略其横 向抗剪强度 ， 因此可以将 钢筋作为线单元处理 ， 采用空间杆单 元 L i n k 8建立钢 筋单元。其优点是建模 比较方便 ， 可以任意布置钢筋 并可直观获得钢筋的内力 。 2 1 3 型 钢和 垫块 单元 型钢和垫块单元均采用三维实体结构 S o l i d 4 5实 体单元模拟。 2 2材 料 特性 2 2 1 混 凝土材 料特 性 1 ) 本构关系 通过对比分析 ， 混凝 土的本构关 系采 用 S a e n z模 型， 即单向应力状态下应力增量 与应变增量之间的关 系， 如图 3所示。这一模型能很好地反 映混凝土 的 一 8曲线 ， 并且 能较好 地模 拟混凝 土的下 降段 。 图 3 混凝土本构关系示意 2 ) 破 坏准 则 在 A N S Y S程 序 中， 混 凝 土 的 破 坏 准 则 采 用 Wi l l a m Wa r n k e 5参数破坏模 型。 3 ) 使用方法和输入参数 张开裂缝 的剪力传递系数 卢 对计算结果影响较 大 ， 其值在 01之间。对于型钢混凝土异形柱建议取 0 3 5 0 4 5 。闭合裂缝 的剪力传递系数 一般取 0 7 0 9。 2 2 2钢材 材料 特性 型 钢混 凝土 结构数 值模 拟 中型钢 和钢 支座垫板 的 本构关系采用多线 性随动强化模型 ( M K I N) ， 此模型 为多线性的应力一应变曲线 ， 模拟随动强化效应 ， 并且 考虑包辛格效应 。此模型适用于服从 Mi s e s 屈服准则 的小应变分析 ， 所以作为型钢 和钢支座的材料模型比 较真实。型钢和垫块采用单轴应力一应变关系， 为多 折线型 ， 见 图 4 ( a ) ； 纵筋和横 向箍筋采用双线性随动 强化模型( B K I N) ， 单轴应力一应变关系为理想弹塑性 模型， 见图 4 ( b ) 。 D O ( a ) 型钢和垫块 ( b ) 纵筋和箍筋 图 4 材料应力一应变关系 2 3 网格 划分 及 单元生 成 首先直接创建节点 ， 然后通过节点来创建单元 ， 从 平面到空间， 直接形成有 限元模型的节点和单元 。型 钢混凝土异形柱中， 由于单元类型较多 ， 并且截面形式 复杂 ， 因此虽然几何建模容易 ， 但是对几何体划分单元 时 ， 不容易划分均匀 ， 从而导致结果不真实 。所 以本文 采用这种直接方法建立有限元模型， 能够更好地控制 网格划分大小和数 目， 以得到理想的网格。 1 6 8 铁道建筑 直接法在建立单元之前 ， 必须定义并 向程序声 明 所要创建的单元属性 ， 包括单元类型、 实常数 、 材料特 性 、 单元 坐标 系等 。 3计算 结果分析 3 1数 值模拟 结果 分析 模拟 计算 时根 据试 验 建 立 完整 模 型 ， 施 加位 移 约 束 ， 设定 计算控 制参 数和计 算步 骤后 按位移 进行 加载 。 型钢混凝土异形柱模型计算结果均收敛 良好， 数值模 拟 结果 见表 2 。 表 2型钢混凝土异形柱模 拟计算结果 3 2型钢 应力和 应变 图 5为型钢 混凝 土 异 形 柱 型钢 最 大 主应 力 云 图 。 从图中可看出， 施加位移处型钢翼缘应力增大， 并逐渐 屈服， 然后受压区型钢翼缘下部逐渐屈服 ， 但中间腹板 并未 屈服 。试 件 的破 坏是 由受压 区和 受拉 区 昆 凝 土破 坏控制。当达到极限荷载 ， 相应的受拉区主筋 、 型钢翼 缘和受压区主筋、 型钢翼缘应力均下降到一定水平 。 图 5 型钢最大主应力云图( 单位 ： M P a ) 3 3混 凝土应 力分 布 图 6为加载开始阶段和结束阶段型钢混凝土异形 柱跨中截面混凝土应力分布图。从图 中可 以看出， 从 最开始加载 ， 柱子表现出偏心受压的受力状态 ， 翼缘受 拉 ， 腹板 受压 。 由于腹 板 面积 较 小 ， 即受 压 面 积 小 ， 腹 板 混凝 土渐趋 于屈 服进而 达到极 限 ， 截 面 中和 轴 向翼 。 前缘靠近， 使截面受压面积逐渐增大。 f a )加载开始 阶段 ( b )加 载 结 束 阶 段 图 6 混凝土主应力分 布变化云 图( 单位 ： MP a ) 4 结语 采用本文的有限元模型和建模方法， 能够较快地 建 立型 钢混凝 土异形 柱模 型 。通 过对 型钢混凝 土异 形 柱 中材 料属 性 、 本 构 关 系和 单 元 类 型 的合 理 选 择 ， 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。 参 考 文 献 1 赵鸿铁 钢 与 昆凝 土 组合 结 构 M 北 京 ：科学 出版 社 ， 2 001 2 杨勇 ， 郭子雄 ， 聂建国 ， 等 型钢 混凝土结 构 A N S Y S数值模 拟技术研究 D 西安 ： 西安建筑科技 大学 ， 2 0 0 6 3 尚晓江 ， 邱峰 ， 赵海 峰 A N S Y S结构 有限元 高级 分析方法 与 范例应用 M 北京 ：中国水利水电出版社 ， 2 0 0 8 4 龙跃凌 ， 金雪峰 方形钢管混凝土轴压柱局部屈曲的有限元 分析 J 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 1 3 8 - 1 3 9 ( 责任 审编 李付军)