混凝土梁柱节点有限元分析.pdf

第 2卷第 2期 2 0 1 0年 6 月 Vo 1 2 No 2 J u n 2 0 1 0 目 匕 凝土梁柱 节 占 _roll ， 有限元分析 ( 北京市东城 区主房及城市建设委员会，北京 1 0 0 0 1 1 ) 【 摘 要】本文采用有限元分析软件 A N S Y S对钢筋混凝土梁 一柱节点进行数值分析?首先通过建立两种有限元 模型对节点进行 了模拟 ， 然后 对建 立的 两种模型的模拟 结果进行 比较 ， 以验 证运 用 A N S Y S进 行模拟的 结果是 否正 确可行 ， 最后对 出现的差别进行分析：结果表 明 ： 碳纤维加 固梁 一柱 节点采 用 A N S Y S软件进 行模 拟分析研 究是 可 行的 ， 其结果可 以广泛应用到 实际设计 中 【 关键词】钢筋混凝土； 有限元分析； 梁一柱节点 【 中图分类号】 T U 3 7 5 ； T U 3 l 1 4 1 【 支献标志码】A 【 文章编号】1 6 7 4 7 4 6 1 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 7 8 0 5 1 模型 的建立 本文刈碳 纤维加 固钢筋混凝土梁 一柱 节点进 行分析 ， 采用 A N S Y S模拟混凝土结构的开裂 、 压溃。 研究发现 ， 很多因素影响到分析的收敛与否， 如单 元类型的选取 ， 单元尺寸 ， 边界条件 的处理 ， 加 载和 收敛准则的确定等。本文的分析中， 考虑到收敛 和 求解代价 ， 经分析 比较取梁的混凝土单元尺寸取 5 0 5 05 0 I i l I l l ， 墙 的混 凝土 单元 尺寸 取 5 05 0 8 0 F n I l l ， 内部钢筋采用分离式布置， 即 S O L I D 6 5单元 内部无钢筋 ， 钢筋采用 L I N K 8单元模拟 ， 箍筋单元 节点和混凝土单元节点共用节点 ， 不考虑箍筋 和混 凝土间的粘结滑移 ； 梁柱纵筋单元节点和混凝土单 元节点问用连接单元连接。钢筋混凝 土结构建模 一 般采用 “ 由上至下” 的建模方法。综合考虑 以上 主要 因素 ， 本次在建模时先总体建立体单元 ， 然后 运用 工作 平 面进 行 布尔 运 算。具 体模 型 如 图 1 所示 2力 载；f 口 求角 翠 加载时， 模 型的边界 条件尽 量和试 验保 持一 致 ， 如在墙底将 x、 Y、 z三个方向的位移进行 限制， 在墙顶将 x、 z两个方 向的位移约束。加载分两大 步 ， 第一步在墙顶加竖向荷载 4 7 5 k N， 第一步加载完 成后构件如图 2所示 。第二步在梁端加竖 向的往复 荷载 ， 其 流程 如 图 3所示 。 ( a ) 划分后的混凝土模型 ( b ) 钢筋横型 【 作者简介】 土张鹏( 1 9 8 4一) ， 男， 助理工程帅。主要从事建筑施工质量监督执法工作：E - m a i l ： a n a n w 3 w 1 2 6 c o n l 混凝土梁柱节点有限元分析 7 9 图 2加载 与支座图 八 V l 图 3 加载流 程图 第1 荷载步混凝iY 方向应力 第1 2 荷载步混凝2 k Y 方向应力 图 4混凝 土应力图 N ，r I，r r一 一 t t ： ： ： ： ： ： ： ： ： 第l 荷载步主应力矢量图 N ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ? ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ? ： 、。 。 。： ： ：1 ： ： 2 - ： 、 图 5混凝 土主应 力图 低周往 复加载 中， 为了容易进行对 比， 每个 循 环都 由力控制 ， 分别加 至 1 0 k N，一1 0 k N， 2 0 k N， 一 ， 2 0 kN，3 0k N ，一 3 0k N， 40k N， 一 4 0k N，5 0k N， 一 5 0 k N， 6 0 k N， 一 6 0 k N， 总共进行 了十二步加载 ， 如图 第 1 2 荷载步主应力矢量图 3所示 。 在计算过程 中考虑了开裂单元 的拉应力松弛， 开展裂缝和闭合裂缝对剪应力传递 的贡献 ， 关闭混 凝土压碎开关。 舯0 枷 8 0 方程求解器采用稀疏矩阵直接求解 法， 利用完 全的 N e w t o n R a p h s o n方法修正刚度矩阵。非线性 迭代的收敛准则在加载中采用位移控制， 考虑到求 解代价 ， 适当提高收敛容差 ， 并采用较小 的时问步 长。 求解过程中打开 自动时间步长。 3 计算结果分析 3 未考 虑糕结 滑 绣粜 3 1 1 混凝土的应力 、 应变分析 模型中未加入连接单元 ， 钢筋与混凝土共用节 点。此混凝土在首末两个荷载步 的最后子步 的应 力和主应力矢量图如图4 、 5所示。 图 6是 3 3 0 5节点的应力随着荷载变化 图。该 节点整体坐标为( 0 1 6 ， 1 0 7 5 ，一 0 7 5 ) ， 从 图中可 以看出第 1 、 2荷载步的应力为负，主要是墙上加 的 荷载起的作用 ， 而后来 3 、 5 、 7、 9 、 1 1 荷载时的应力为 正， 该点受到的梁端产生 的力大于墙上产生的力。 在第 4、 6 、 8 、 1 0 、 1 2荷载下该点受到了梁端产生和墙 上共同作用的力为负应力 。 3 1 2 钢筋应力分析 由于钢筋和混凝土共用节点， 加载过程中钢筋 的竖向变形与混凝土相同。第 1荷载步时钢筋的应 力图如图 7所示。 3 1 3 裂缝情况 A N S Y S 模拟 中裂缝 出现 的 比较早 。在第 1荷 载步的第 5子步就出现裂缝。而在第 1 1荷载步梁 四周的墙上已经布满裂缝 ， 如图 8 。 圈 8裂缝图 3 2 考忠褊 结滑移 的结果分 析 3 2 1 混凝土的应力 、 应变分析 模型中加入连接单元 ， 因此在钢筋和混凝土的 同一节点处不必进行合并。选 用 C O MB I N 3 9单元 加在梁上纵筋与混凝土 同一节点处。经过 加载计 算后得到的混凝土应力图如图 9所示。从图中可以 看出混凝土的应力 、 应变变化趋势。图 l 0为混凝土 的主应用矢量图， 其变化规律与未考虑黏结滑移的 规律基本相同。图 1 1 是 1 5 3 2 5 5 9节点随荷载变化 的应力变化 图。该 点的整体 坐标 为 ( 0 1 6 ， 1 0 7 5 ， 一 0 7 5 ) ， 该点应力的变化趋势与不考虑粘结滑移 的模型分析的结果是一致的。但是数值不同， 这说 明考虑粘结滑移对模拟的结果是有影响的， 该点应 力数值变大。 3 2 2 钢筋应力分析 考虑粘结滑移 ， 加入连接单元模拟得到 的第 1 荷载步的钢筋应力图如图 1 2所示 。 混凝土梁柱节点有 限元分析 8 l 第l 荷载步混凝土Y 方向应力 第l 2 荷载步混凝土Y 方向应力 图 9混凝 土的应力图 ! N ； c 1 ， ， 一 一 一 一 一 一 一 。 。 j 一 一 一 1 j M Pa 第l 荷载步主应力矢量图 6 4 ” 1 5 3 2 5 5 9节点 Y方 向应力变化 图 H - ； t 一 、 ，-。， 、 _- ： - 图 1 0混凝土主应力 图 3 2 3 裂缝 的分析 加上连接单元 的模拟 的裂缝结果与 未加连接 单元的结果基本相同。在第 l 荷载步的第 5子步就 出现裂缝。而在第 l 1 荷载步梁四周的墙上已经布满 第1 O 荷载步主应力矢量图 图 1 2钢 筋应 力图 裂缝 ， 如图 1 3 。 3 3 结果对比 未考虑粘结滑移的模型 M。 的结果、 考虑粘结 滑移的模型 M： 的结果如表 1所示 ： 8 2 囊0t 单位 ( I 1 1 11 1 ) 对 比M 与 M，的结果可 以发现， 考虑粘结滑移 后前几个荷载 的梁端位移大于不考虑 的粘结 滑移 的位移 ， 这说明连接单元的存在 ， 是梁端位移增大。 而最后两个荷载值的结果是 末考 虑粘结 滑移的大 于考虑的结果 ， 这与计算 中后两个荷载汁算时出现 个别节点应变超限有关： 4 小结 A N S Y S作为一个大型通用有限冗分析软件， 可 以用于土木工程的结构分析。分析结果 的可信度 和精度取决于 A N S Y S模型和原型的相似程度和适 当的分析方法 ， 这就要求处理好实际材料和 A N S Y S 元素， 实际结构 的构成和 A N S Y S不同元素间的组 合 ， 位移和力边界条件 的模拟等基本 问题 ， 还要处 理好单元的划分， 适 当的加载步骤 ， 收敛控制 条件 和方程求解方法 。从而得出令人满意的结果， 如混 凝土裂缝 的形成和分布以及此 时刻各部位各 种材 料的应力应变分布， 这对于把握结构使用 阶段的特 性很有用 ， 但用实体单元模拟混凝土结构存在随着 大量裂缝形成， 计算很难收敛 的问题 。虽然 A N S Y S 分析计算代价较高， 但随着计算机性能 的提升 ， A N S Y S正 日益被用于建筑结构 的分析之 中， 特别是在 重要_T程或结构 的关 键部位 、 建筑结 构试验 分析 方面 参 考文献 1 王依 群， 王智 福 铡筋与混凝土问的粘结滑 移在 A N S Y S 中的模拟 J 大津 大学学报 ， 第 3 9卷第 2期 ， 2 0 9 2 1 2 2 S a e e d M o a v e n i 有限元分析 一A N S Y S理论 与应用 M 北京 ： 电子工业 版社 ， 2 0 0 5 3 张朝 晖 A N S Y S 8 0结构分析及实例解 析 M 北京 ： 机 械 业出版 ， 2 0 0 5 4 李权 A N S Y S 在 土木丁 程 巾的应用 M 北京 ： 人 民邮 电出版社 ， 2 0 0 5 5 张胜 民 基 于有限元软 件 A N S Y S 7 ， 0的结构 分析 ： M 北京 ： 清华火学 出版社 ， 2 0 0 3 FEM An a l y s i s o f RC Be a m- Co l u mn - J o i n t S t r e n g t h e n e d ( H o u s i n g o n d B u i l d i n g C o mm i t t e e ， D o n g c h e n g D i s t r i c t ， B i n g 1 0 0 0 1 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p a p e r r e s e a r c h e d t h e RC B e a m C o l u n l n J o i n t s t r e n g t h e n e d w i t h C F RP l ras e d o n AN S YS F i r s t l y，t h e a u t h o r e s t a b l i s h e d t wo mo d e l s t o s i mu l a t e a n d c o mp a r e t h e r e s u l t s Se c o n d l yt h e a u t h o r c o t p a r e d t he s i mu l a t i n g r e s u l t s wi t h t he t e s t r e s u hs a n d p r o v e d t h e a c c u r a c y o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s F i n a l l y，t h e d i f f e r e n c e s a r e a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a i t h e r e a s e r e h o n RC B e a m C o l u mn J o i n t s t r e n g t h e n e d s i mu l a t i o n b a s e d o n ANS Y S i S p r a e t i c a h l e8 11 ( 1 t h e r e s u l t c a n b e wi d e l y u s e d i n a e t u a l d e s i g n Ke y , o r d s ： R e i n f o r c e d C o n c r e t e ；C F R P；S t r e n g t h e n e d：B e a m C o l u mn J o i n t