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庄彬彬等 ： 型钢混凝土框架节点非线性有限元分析 5 3 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2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 利用有限元分析软件 A N S Y S 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； A N S Y S 【 中图分类号】 T U 3 7 5 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 0 ) 0 9 0 0 5 3 0 2 型钢混凝土结构是 指在 型钢周 围配置 钢筋 ， 并 浇 筑混凝土的结构。梁柱节点是框架结构中传力的重要 部位， 对保证结构承载力和刚度起着重要的作用。研 究表明 ， 型钢混凝 土梁柱 节点在 低周 反复荷 载下有 较 好的刚度和延性 ， 可防止节点脆性破坏， 使节点区的抗 震性能得到显著 改善 。本文基于大型通用有限元软件 A N S Y S ， 简要介绍钢筋混凝土有限元建模方式及其收 敛控制方 法 ， 并 以某 设计 院设计 的一 型钢混凝 土框 架 节点为例， 对其进行非线性有限元分析。 1 非线性分析的收敛控制 利用 A N S Y S 进行钢筋混凝土非线性分析时， 在混 凝土开裂前计算易于 收敛 。但 是当混凝土开裂后 随着 荷载的增大收敛趋于困难。影响钢筋混凝土非线性计 算收敛的主要因素有： S o l i d 6 5单元的 K E Y O P T选项、 网格密度、 子步数、 收敛准则、 求解设置等。 在进行模型的网格划分时， 网格密度会对分析 的 收敛产生影响。在容易出现应力集中的部位要避免过 小单元的出现。一般而言， 混凝土单元尺寸不宜小于 5 0 ra m。并且在 可能 出现 应力集 中的部位 应控 制 网格 密度不宜太大。 在利用 A N S Y S 进 行钢筋混凝土有 限元计算 时 ， 一 般选择力的收敛准则而不同时使用位移收敛准则 ， 否 则会给收敛带来困难。同时可用 C N V T O L命令调整 收敛精度 ， 以加速 收敛 减 少计算 时 间。收敛精 度默认 值是 0 1 ， 根据计 算精 度一 般可 放宽 到不超 过 5 ， 这样将提高收敛速度。 2 型钢 混凝土框架节 点分析 2 1 节 点概述 该节点位于一 根长 约 1 8 5 5 m 的型钢混凝 土框支 柱处 ， 框 支 柱 1 8 5 5 m 以 下 部 分 截 面 尺 寸 为 1 8 m 1 6 m， 1 8 5 5 m以上部分 截 面尺 寸 2 9 4 6 m X 1 6 m。框 支柱 1 8 5 5 m到 1 9 2 m高度 范 围处 长度 为 1 6 m边 的 两侧面连接有截面尺 寸为 1 5 m X 0 6 5 m两根 弦杆 ， 长 度为 2 9 4 6 m 边 的侧 面 连 接 有 截 面尺 寸 为 0 8 5 m X 0 6 5 m的两根斜 向弦杆 ， 如 图 1 所 示 ( 数 字 为杆 件 编 号 ) 。由于该节 点 的构件 截 面尺 寸 突变 且配 筋 复杂 ， 为确保节点设计的安全性和经济性 ， 应对节点钢筋混 凝土结构进行空间有限元计算分析， 来深入了解结构 在设计荷载下的应力状态 。 2 2 有限元 建模 本文所做计算关注的问题是结构在给定荷载水 平下的应力水平及应力分布特征( 所受荷载水平由设 计方提供 ) ， 而非结构的极 限承载 能力 ， 因此在建模 时 做 如下假定 ： 在给定荷 载水平 下钢筋 与混凝 土界 面 始终结合良好 ， 不产生粘结破坏； 考虑在较大荷载作 用下 ， 由于材料 非线性 效应所 导致 的应力重分布 ， 用弹 塑性材料模型分别模拟钢筋及混凝土的非线性行为； 框支柱及弦杆受力钢筋采用分离式模型， 斜向弦杆 采用整体式模型。分离式模型中， 结合有限元单元网 格的划分， 尽可能以独立的一维单元模拟单根钢筋， 在 有限元单元划分困难时， 则以截面等效的原则模拟多 根钢筋 的综合效果 。 基于如上假设 ， 利用 A N S Y S程序建立该节点的计 算模型， 混凝土用 S o l i d 6 5单元模拟， 主要受力构件框 支柱及弦杆 中各 受力 钢筋 用 L i n k 8单元 模拟 ， 次 要受 力构件斜 向弦杆 中的钢筋 由 S o l i d 6 5单 元 中的配 筋率 参数按等效弥 散模式模 拟 ， 内包 型钢采用 S h e l l 1 4 3单 元模拟。对混凝土 S o l i d 6 5单元， 增大其抗拉强度以不 考虑其混凝土开裂， 并关闭压碎， 使得计算更易收敛。 计 算模型 中混凝 土的本 构关 系采用 MI S O多线 性 等向强化模型， 钢筋的本构关 系采用双线性等向强化 模 型 B I S O 。 2 3 非线性计算分析结果 根据设计方要求 ， 非线 性计 算荷 载分 两个水 平方 向的大震及 中震 ， 计算荷载 由设计方 根据 S A P软件计 算结果提取 ， 荷载直接作用于相应杆件上 ， 不再考 虑荷 载组合系数。本文以 Y方 向大震 为例 ， 说 明节点 的应 力水 平和应力分布特征。荷载取值 见表 1 。梁柱 节点 的非线性计 算结果见图 1 图 4 。 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 2 0 1 0年第 9期( 总第 1 4 7期 ) 一 主应力和第 三 主应 力 的最 大值 均 出现在 侧边 斜 向 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 Mi s e s 应力绝对值最大处在斜 向弦杆 1 6 2 1 处， 其最大等效应力值为 4 5 4 M P a ， 远低于型钢 的屈 服强度 3 2 5 MP a ， 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 1 0 3 MP a ， 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 3 型钢 Mi s e s 应力 图 5 混凝土第一主应力 云图 此外 ， 本文对混凝 土和钢 筋采用线 弹性模型 ， 对该 节点进行线性分析 ， 其应力云图如图5图8所示。 对 比上述计算结果 可知 ， 当材料采 用弹塑 性模 型 进行计算分析时 ， 所得混凝土应力略低于线性分析所 得应力， 而型钢和纵筋的应力却明显高于线性分析结 果。对于钢筋混凝土结构 ， 由于材料本身的非线性， 采 表 1 Y向大震荷载 取值 图 2 混凝土第三 主应力云 图 图 4 纵筋应力云 图 图6混凝 土第三 主应力云 图 用 弹塑性应力应 变关 系进 行 非线 性分 析 能得 到更 符 合实际情况的结论 ， 但同时也耗费较高的机时。 3结语 采用有限元 对框 架节 点 的受 力性 能进 行非 线 性 分析是可行的， 较之传统的线性分析能得到更符合实 ( 下转第 6 4页) 低温建筑技术 2 0 1 0年第 9期( 总第 1 4 7期 ) 变成圆柱体， 当弹体运动到靶体中央时， 靶体内出现向 背面延伸的裂纹， 背面开始出现层裂现象； 当弹体运动 至靠近靶体背面时， 弹体碎片向四周飞溅， 在弹体周围 形成一个空腔 。 4结语 ( I ) 相同弹体侵彻相同靶体， 当弹体未穿透混 凝土靶 体时 ， 弹体 由初 始速度降 为零 所经 历的 时间基 本相 同 ， 与弹体 的初 速度基本无关 。 ( 2 ) 通过对弹体穿透靶体的模拟， 研究了弹体 侵彻过程中的混凝土内部损伤演变情况 ， 混凝土靶体 以弹体 前进方向为轴 心 ， 产生 了一 个圆柱 体型 的破坏 范围。在侵彻初始阶段 ， 以着弹点为中心， 形成了一个 漏斗形状的弹坑； 随着弹体的侵入， 漏斗坑逐渐演变成 圆柱体， 当弹体运动到靶体中央时， 靶体内出现向背面 延伸的裂纹， 背面开始出现层裂现象； 当弹体运动至靠 近靶体背面时， 弹体碎片向四周飞溅， 在弹体周围形成 一 个空腔 。 参考文献 1 纪冲 ， 龙源 ， 万文乾动能弹丸 冲击侵彻混凝土靶数值模 拟分 析 J 混 凝土 ， 2 0 0 6，( 2 ) ： 68 赵振东 ， 钟江荣 ， 余世舟刚性弹丸撞击下混凝土板侵彻极限 深度与痂斑极限厚度经验公式 的验算 J 爆炸与冲击， 2 o o 5 ， 2 5 ( 1 ) ： 4 1 4 6 周培毅， 李世 才 ， 姚 剑虹钻 地 弹侵彻 混凝 土靶 的数值 分析 J 北京理工大学学 报 ， 2 0 0 3， 2 3 ( S u p p 1 ) ： 3 5 73 6 1 文鹤鸣 混凝土靶板冲击响应的经验公式 J 爆炸与冲击， 2 0 0 3， 2 3 ( 3 ) ： 2 6 72 7 4 L o k T S，As c e M Z h a o，J I mp a c t r e s p o n s e o f s t e e l fib e rr e i n f o r c e d c o n c ret c u s i n g a s p l i t H o p k in s o n P r e s s u re b a r J J o u r n a l o f Ma t e r i a l i n c i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4，1 6 ( 1 ) ： 5 4 5 9 S u k o n t a s fl k k u l P，Ni mi t y o n g s k u l P，Mi n d e s s S E ff e c t o f l o a d i n g r a t e O n d a ma g e o f c o n c ret e J C e m e n t a n d C o n c ret e R e s oar e h ， 2 0 0 43 4：2 1 2 7 2l 3 4 7 J i a n g F C ， I |i u R T ， e t a1 E v a l u a t i o n o f d y n a m i c f r a c tu r e t o u g h n e s s Ki d b y Ho p k i n s o n p res s u r e b a r l o a d ed i n s t rome n t ed Ch a r p y i mp a c t t e s t J E n g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 4， 7 1 ： 2 7 9 2 8 7 收稿 日期 】 2 0 1 0 0 6 2 8 【 作者简介 贾志臣( 1 9 6 9一) ， 男， 山东聊城人， 高级工程师， 从事混凝 土施工技 术。 ( 上接 第 5 4页) 际的结果。在进行非线性分析时， 如何使计算正常收 敛是一个关键 的问题 。对 于结构 中受力的关键部位应 2 3 4 】 5 图 7型钢 Mi s e s 应力 参考文献 周湘簧 ， 孙 飞飞 ， 顾祥林 钢筋混凝土框架梁 柱节点的分 析模 型 J 工程力学 ， 1 9 9 9 ， 增刊 ： 3 4 23 4 7 丁晓东 ， 孙晓波 型钢混凝土结构的研究现状与发展趋势 J 山西建筑 ， 2 0 0 7， ( 1 ) 赵红梅 钢梁一钢骨混凝土柱节点的非线性有限元分析 D 北京 ： 北京工业大学 ， 2 0 0 1 吴慢平 ， 王泽军 ， 吴军利混凝土框架 节点有 限元分析 J 山 西建筑 ， 2 0 0 7， ( 8 ) 于旭新型框架节点 的非线性有限元分析 J 南京工程学院 对其进行空间有限元计算分析以得到较好的应力分 布图和峰值应力 ， 这对工程 设计和 加 固改造均 有指导 意义 。 6 7 图 8 纵筋应力云 图 学报(自然科学版) ， 2 0 0 7， ( 6 ) P rof HNo g u e h i P r o f GD e i e r l e i n R e p o r t o f t h e W o r k i n g Gr o u p o n Re i n f o r c e d Co n c r e t e Co l u mn a n d S t e e l Be a m S y e ms RCS T ec h n i c a l S u bCo mmit t e e T S C 一2 王继武型钢混凝土框架梁柱节点受力性能有限元分析 D 重庆 ： 重庆交通大学 ， 2 0 0 9 收稿日期 2 0 1 0一 o 4 2 9 作者简介 庄彬彬 ( 1 9 8 6一) ， 男 ， 福建 泉州人 ， 硕 士， 研究方 向： 结构抗震和数值模拟。 1 J 1j 1J