組合梁柱節(jié)點有限元分析研究

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土 有限元 非線性

　　1 前言

　　鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種組合結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了混凝土良好受壓性能和鋼材良好的受拉性能，使它們發(fā)揮各自的材料特性。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)利用了混凝土良好的耐腐蝕和防火性能、鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，同時，外部混凝土的存在可以防止型鋼的屈曲，型鋼對混凝土的約束作用也會使混凝土的承載力提高。因而一般具有承載力高，延性好，綜合經(jīng)濟指標(biāo)較高等優(yōu)點[1]。近年來，鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并不斷發(fā)展。因此，對新型的鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究及工程應(yīng)用將是工程結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個主要方向。

　　2 有限元分析

　　計算機模擬分析是試驗分析的補充，首先可以排除試驗中各種隨機因素的干擾，不僅可以給試驗參數(shù)的選取、結(jié)果的分析等提供方便；并且計算機模擬可不受時間、場地等因素的限制，對各種不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)模型進行分析，因為減少了大量的現(xiàn)場試驗工作而大大節(jié)省了科研費用。計算機模擬可以在一定程度上彌補試驗方法和試驗成果的不足，如通過計算機模擬可以了解試驗中不易觀察到的局部變形、內(nèi)力傳遞機制等。同時有限元模擬結(jié)果可以為理論分析提供一些依據(jù)，驗證理論分析的正確性。

　　國內(nèi)外學(xué)者采用有限元方法對鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點的力學(xué)性能進行了大量的研究，但是關(guān)于如何建立精確的鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點有限元模型的研究較少。因此，開展鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的有限元分析方法的研究，對于確定鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，促進鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)進步和應(yīng)用推廣，具有一定的理論意義和實用價值。

　　在進行有限元建模前，需做以下假定：

　�。�1）混凝上開裂前為各向同性材料，開裂后為各向異性，并釋放單元應(yīng)力；

　�。�2）鋼筋和混凝上變形協(xié)調(diào)，不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移；

　�。�3）不考慮鋼與混凝土之間的翹曲；

　�。�4）考慮材料非線性，不考慮幾何非線性行為。

　　3 材料的本構(gòu)關(guān)系

　　本構(gòu)關(guān)系是指描述材料力學(xué)性質(zhì)的數(shù)學(xué)表達。結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系對有限元分析有重大的影響。鋼-混凝土組合梁柱節(jié)點中的鋼材和混凝上兩種材料在低周反復(fù)荷載作用下處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。因此，為了較好的模擬節(jié)點的性能，首先應(yīng)確定鋼材和混凝土的本構(gòu)模型。

　　由于混凝上材料的復(fù)雜性，其本構(gòu)關(guān)系也因為受力狀態(tài)的不同而不同。在反復(fù)荷載作用下，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變滯回性能的骨架曲線基本上接近單調(diào)加載時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。本文的有限元計算中，混凝土的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2002）中附錄C中的公式采用，混凝土不考慮下降段應(yīng)力應(yīng)變曲線。

　　混凝土棱柱體抗壓強度取值23 MPa，彈性模量為3.0?104�；炷�土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1，鋼筋與型鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖2所示，對縱向鋼筋、箍筋采用Wire建立模型，型鋼采用3DShell建立模型。

　　4 混凝土的破壞準(zhǔn)則

　　混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞比較復(fù)雜，但不論何種破壞，均是以混凝土達到極限承載力為標(biāo)志[5]。將混凝土的破壞包絡(luò)曲面用數(shù)學(xué)函數(shù)加以描述，作為判定混凝土破壞的條件，稱為破壞準(zhǔn)則�；炷�土的破壞準(zhǔn)則一般用混凝土的應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)來表示。

　　隨著混凝土多軸試驗數(shù)據(jù)的積累，國內(nèi)外研究人員提出了多種混凝土破壞準(zhǔn)則， Willam&Warnke準(zhǔn)則采用二次拋物線表達拉、壓子午線，對偏平面上每個 范圍內(nèi)的曲線用橢圓曲線表示，共由六段相同的橢圓弧曲線擬合偏平包絡(luò)線，相鄰曲線段在連接處連續(xù)并將拉、壓子午線用偏平面曲線為基準(zhǔn)面的橢球面連接起來。

　　5 模型分析

　　對一工業(yè)結(jié)構(gòu)中的組合梁柱節(jié)點進行有限元分析，柱截面尺寸為600mm×600mm，梁截面尺寸為1000mm×450mm。按構(gòu)件實際尺寸建立鋼-混凝土組合梁柱節(jié)點的幾何模型，進行網(wǎng)格劃分，從而形成有限元模型。本文中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用分離式建模，鋼筋與混凝土、鋼板與混凝土之間的粘結(jié)力以及栓釘抗剪作用采用Combine39單元模擬。該單元的一端連接型鋼單元節(jié)點，另一端連接混凝土單元節(jié)點。位移約束及加載點處設(shè)剛性塊，以免加載點處局部變形過大影響計算的收斂。

　　加載過程分為兩步：先施加柱頂?shù)妮S壓力，再施加柱端水平反復(fù)荷載。水平荷載的施加采用位移控制的方式。為了模擬混凝土的開裂、通裂、極限到破壞得全過程受力變形情況，采用足夠多的荷載步。

　　從節(jié)點的有限元損傷和等效塑性應(yīng)變圖3可以看出，節(jié)點破壞時，核芯區(qū)的混凝土損傷和應(yīng)變發(fā)展充分，核芯區(qū)型鋼腹板達到屈服強度330Mpa，箍筋已經(jīng)屈服，節(jié)點的破壞接近核芯區(qū)剪切破壞。梁筋的粘結(jié)力增大了斜壓桿的受力，粘結(jié)滑移的存在減緩了梁筋向節(jié)點區(qū)斜壓桿力的傳遞。節(jié)點的梁端和柱端混凝土的破壞都較嚴(yán)重，但是節(jié)點處型鋼骨架的塑性等效應(yīng)變在梁柱交接處較大，且向梁筋滲透。由于節(jié)點的梁筋彎鉤處存在較大的擠壓力，壓桿的傾角較陡，造成斜壓桿超出核芯區(qū)而到柱子范圍內(nèi)。這樣就需要靠近核芯區(qū)的外側(cè)柱子箍筋提供必要的水平拉力來維持較陡斜壓桿達到受力平衡。

　　6 結(jié)論

　　結(jié)構(gòu)中的梁柱節(jié)點的正確設(shè)計和安全至關(guān)重要，本文通過有限元技術(shù)對一型鋼混凝土節(jié)點進行了模擬分析，可以得到，由于節(jié)點中的應(yīng)力分布很復(fù)雜，設(shè)計時必須遵守“強柱、弱梁、節(jié)點更強”的設(shè)計原則。必須保證結(jié)構(gòu)達極限狀態(tài)時，破壞首先發(fā)生在梁內(nèi)，而節(jié)點在梁和柱破壞前，保持安全不破壞。梁柱連接的節(jié)點必須滿足設(shè)計時采用的模型。節(jié)點設(shè)計時，在滿足強柱、弱梁、節(jié)點更強”原則的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮:傳力明確、構(gòu)造盡可能簡單、施工方便和節(jié)省材料。

　　參考文獻

　　[1] 何小輝，武振宇，張揚，成博. 新型鋼框架梁柱節(jié)點滯回性能試驗研究及有限元分析[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（6）：70-78

　　[2] 王翠翠，劉忠，張孝芳，李春月，肖輝. 方鋼管混凝土柱-工字型鋼梁節(jié)點受力性能的非線性有限元分析[J]. 桂林理工大學(xué)學(xué)報，2011，31（4）：558-563

　　[3] 付濤，易慨. 梁柱T型鋼連接節(jié)點有限元分析[J]. 交通科學(xué)與工程，2011，27（3）：41-47

　　[4] 李保明，周宏文，王堯燕，張代建，袁政強. 型鋼混凝土桁架節(jié)點有限元分析[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報，2009，25（4）：6-10