基于非线性有限元的房屋建筑钢梁节点受力极限研究_余恒杰.pdf

工程应用Engineering Application66CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165引言在房屋建筑中，钢梁是其中主要的支撑结构。钢梁作为房屋建筑支撑，必然会受到力的压迫，为防止房屋建筑钢梁节点受力超过最大承载范围，进而导致承载失效，引发安全事故，必须明确房屋建筑钢梁节点受力极限1。因此，进行房屋建筑钢梁节点受力极限研究是极具现实意义的。在以往针对房屋建筑钢梁节点受力极限的研究中，主要是通过计算房屋建筑钢梁节点最大承载力，进而判断房屋建筑钢梁节点受力极限，但此种方法在实际应用中存在分析残差高的现象，导致无法为房屋建筑钢梁节点设计提供精准的受力极限分析结果，进而保证房屋建筑钢梁的安全性2-3。非线性有限元作为一种分析方法，主要应用于数值分析中，通过简单的问题代替复杂的问题，以此求解复杂问题的准确解，能够通过有限数量的未知量逼近未知量，进而提高分析的精度4。因此，本文基于非线性有限元研究房屋建筑钢梁节点受力极限，运用非线性有限元设计一种房屋建筑钢梁节点受力极限分析方法，以期降低房屋建筑钢梁节点受力极限分析残差，进而为房屋建筑钢梁设计提供更加科学、客观、准确的数据和鉴定结论。基于非线性有限元的房屋建筑钢梁节点受力极限研究余恒杰浙江天工建设集团有限公司 浙江 绍兴 312030摘 要：为解决传统房屋建筑钢梁节点受力极限分析残差高的问题，基于非线性有限元分析房屋建筑钢梁节点受力极限。基于非线性有限元分析，模拟房屋建筑钢梁节点受力数值，通过建立房屋建筑钢梁节点受力应力-应变关系，运用非线性有限元分析房屋建筑钢梁节点受力规律，得出房屋建筑钢梁节点受力极限。设计实例分析，结果表明：设计方法分析残差明显低于对照组，能够解决传统房屋建筑钢梁节点受力极限分析残差高的问题。关键词：非线性有限元；房屋建筑；钢梁节点；受力极限Research on the Ultimate Stress of Steel Beam Joints in Building Based on Nonlinear Finite Element MethodAbstract:In order to solve the problem of high residual error in limit analysis of steel beam joints in traditional buildings,the limit of steel beam joints in buildings is analyzed based on nonlinear finite element method.Based on the nonlinear finite element analysis,the stress value of the steel beam joint of the building is simulated.By establishing the stress-strain relationship of the steel beam joint of the building,the stress law of the steel beam joint of the building is analyzed by using the nonlinear finite element method,and the stress limit of the steel beam joint of the building is obtained.The results show that the residual error of the design method is significantly lower than that of the control group,which can solve the problem of high residual error of the limit analysis of the traditional building steel beam joints.Key words:Nonlinear finite element;building construction;steel beam joint;stress limit收稿日期：2022-11-9第一作者：余恒杰，1984年生，硕士，高级工程师，主要从事建筑工程施工工作，E-mail：工程应用Engineering Application67总165期 2023.03 混凝土世界1 有限元模型采用ANSYS通用程序提供的强大功能，分别进行如下处理：（1）钢材的弹塑性本构模型；（2）高强螺栓摩擦型连接的处理；（3）钢管内混凝土的处理；（4）钢管与混凝土的粘结处理。根据上述方法建立的节点有限元模型，如图1所示。2 基于非线性有限元的房屋建筑钢梁节点受力数值模拟2.1 基本假设自地震中钢结构梁柱焊接连接出现严重的断裂破坏之后，尽量减少工地焊接己成为建筑工程界的共识，形成了“工厂焊接、工地螺栓连接”的施工指导思想。这是一种先进的制造理念，也符合“装配式”和“可拆卸式”的可持续建造发展趋势。为保证房屋建筑钢梁节点受力极限分析的精度，本文通过数值模拟的方式，模拟房屋建筑钢梁节点受力，基于非线性有限元，以有限元分析为手段，简化房屋建筑钢梁节点受力分析问题。在数值模拟过程中，为保证模拟的有效性，本文设定两点房屋建筑钢梁节点受力数值模拟基本假设，包括：（1）房屋建筑钢梁节点受力属于平面受力；（2）在发生房屋建筑钢梁节点受力应变时，房屋建筑钢梁节点受力与弯曲变形为弹塑性关系。2.2 房屋建筑钢梁节点受力状态下的极限承载力以上述提出的两点基本假设为先决条件，在此基础上，本文基于非线性有限元，模拟房屋建筑钢梁节点受力状态下的极限承载力，设此过程的目标函数为y，可得式（1）。（1）式（1）中，x为房屋建筑钢梁长度；为房屋建筑每根钢梁之间的净距；为房屋建筑钢梁宽度；r为房屋建筑钢梁节点个数。由式（1）可推导出房屋建筑钢梁节点受力状态计算理论模型5M，见式（2）。（2）式（2）中，为房屋建筑钢梁的弹性模量；为非线性有限元分析下，房屋建筑钢梁最大承重；b为房屋建筑钢梁节点之间的距离；a为房屋建筑钢梁节点垂直受力；n为房屋建筑钢梁节点水平受力；f为房屋建筑钢梁节点权重。由式（2）进而判断出此时房屋建筑钢梁节点受力状态。由此可见，基于（a）节点有限元模型（b）梁柱连接处局部放大（c）节点域混凝土（d）节点域内隔板图 1 节点有限元模型工程应用Engineering Application68CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165式（2）能够确定影响房屋建筑钢梁节点受力极限的关键因素，均为式（2）中的自变量，其中包括：房屋建筑钢梁的弹性模量、非线性有限元分析下房屋建筑钢梁最大承重、房屋建筑钢梁节点之间的距离b、房屋建筑钢梁节点垂直受力a、房屋建筑钢梁节点水平受力n以及房屋建筑钢梁节点权重f。以计算得出的房屋建筑钢梁节点受力状态为依据，分析房屋建筑钢梁节点受力极限。3 基于非线性有限元的房屋建筑钢梁节点受力极限分析3.1 房屋建筑钢梁节点受力应力-应变关系在完成房屋建筑钢梁节点受力数值模拟后，基于非线性有限元，通过建立房屋建筑钢梁节点受力极限应力应变关系，分析房屋建筑钢梁节点受力极限。可以将房屋建筑钢梁节点受力应力-应变关系视为一种曲线关系，如图2所示。图2中，f0为房屋建筑钢梁节点可承受的应力最大值；gt为房屋建筑钢梁节点与地面之间的夹角，通常情况下为90。由图2可知，房屋建筑钢梁节点受力应力-应变会影响房屋建筑钢梁的基础垂直偏差范围。房屋建筑钢梁节点受力应力越大，造成的房屋建筑钢梁受力基础垂直偏差越大，直至达到房屋建筑钢梁节点受力极限。在应力作用下，房屋建筑钢梁节点受力抗压强度越来越低，同样也会导致房屋建筑钢梁节点受力达到极限。因此，必须根据房屋建筑钢梁节点受力应力-应变关系，计算房屋建筑钢梁节点受力的抗压强度，将房屋建筑钢梁节点所受应力控制在可承受范围内，为下一步分析房屋建筑钢梁节点受力极限做准备。设房屋建筑钢梁节点受力的抗压强度为，则有式（3）。（3）由式（3）得出房屋建筑钢梁节点受力的抗压强度，基于此，可以将房屋建筑钢梁节点受力应力-应变关系模拟为式（4）。（4）3.2 非线性有限元分析房屋建筑钢梁节点受力规律在确定房屋建筑钢梁节点受力应力-应变关系的基础上，本文在ANSYS非线性有限元分析中，采用弹塑性分析的方式，结合房屋建筑钢梁具体力学参数，模拟房屋建筑钢梁节点受力极限，分析房屋建筑钢梁节点受力规律。房屋建筑钢梁节点受力规律非线性有限元分析模型如图3所示。由图3可知，房屋建筑钢梁节点受力规律的整个非线性有限元分析过程，均是以房屋建筑钢梁节点应力分布平截面的假定作为基础，因此产生的房屋建筑钢梁节点受力规律与屈服点有关。为验证房屋建筑钢梁节点受力规律的合理性，将得出的房屋建筑钢梁节点受力规律分析结果与实测房屋建筑钢梁节点应力分布进行对比。从图 2 房屋建筑钢梁节点受力应力应变关系示意图图 3 房屋建筑钢梁节点受力规律非线性有限元分析模型工程应用Engineering Application69总165期 2023.03 混凝土世界计算理论上来讲，通过非线性有限元分析房屋建筑钢梁节点受力规律，在一定程度上对房屋建筑钢梁节点受力极限分析是有利的。因此，房屋建筑钢梁节点受力规律分析结果与实测结果基本一致。3.3 房屋建筑钢梁节点受力极限通过上述分析，考虑到房屋建筑钢梁节点受力变形规律，本文采用非线性有限元，得出房屋建筑钢梁节点受力极限。使用Von Mises在ANSYS中获得应力和应变，并通过各种网格划分和计算结果的比较，由此得到房屋建筑钢梁节点受力极限6。本文选取房屋建筑钢梁节点受力极限弯矩为分析指标，在房屋建筑钢梁节点受力弯曲的过程中，有不伸长或不收缩的轴线。表面由一组不扩展或不收缩的线来描述的线称为中性面线，施加压力至弯矩时，当房屋建筑钢梁节点在塑性分子会破坏，进而导致失效。因此，1/4模型的弯矩随曲率线性增加而增加，此时屈服点非常接近房屋建筑钢梁节点受力极限强度，以此得出房屋建筑钢梁节点受力极限。4 试验分析为构建实例分析，试验对象选取某房屋建筑，总面积共220m2，在房屋建筑结构中包括102根。本次实例分析内容为房屋建筑钢梁节点受力极限，首先使用本文设计方法，分析房屋建筑钢梁节点受力极限，通过黑盒工具QAcenter测得分析残差，记为试验组；再使用传统方法，分析房屋建筑钢梁节点受力极限，同样测得分析残差，记为对照组。试验对比指标为对比两种方法的分析残差，分析残差越低证明对房屋建筑钢梁节点受力极限分析精度越高。分析残差对比结果见表1。由表1可知，本文设计方法分析残差明显低于对照组。通过试验结果证明，所设计的方法针对房屋建筑钢梁节点受力极限分析精度更高，能够证明本次设计具有现实应用价值，值得被大力推广。结语本文通过实例分析的方式，证明了设计方法在实际应用中的适用性，以此为依据，证明了此次优化设计的参考文献1 万馨,相景森,白尧尧,等.外肋板式钢板混凝土组合剪力墙与钢梁节点的受力性能数值模拟J.硅酸盐通报,2019,38(5):1468-1476.2 黄雨薇,杨亚武,彭路远,等.新型组合节点非线性有限元分析研究心得J.山西建筑,2020,46(12):42-43.3 赵方智,蔡炎皓,杨亮,胡什塔尔尼亚孜.村镇砌体结构基于增量动力分析法的地震易损性分析J.混凝土世界,2022(9):54-60.4 丁新东,曹新明.区域约束混凝土梁非线性有限元分析研究J.科技通报,2020,36(4):97-100.5 康子恒,王森林,杜喜凯,等.T形钢连接半刚性梁柱节点受力性能研究J.建筑结构学报,2020,41(S1):44-54.6 褚少辉,赵士永,张艳玲,等.钢-混凝土简支组合梁的非线性有限元分析J.河北工业大学学报,2019,48(1)