框架结构异形柱-柱节点有限元分析.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 5.0 2 2框架结构异形柱-柱节点有限元分析付俊雄,赵诗雅(国网湖北直流公司运维中心,宜昌4 4 3 0 0 0)摘 要:以某工程的装配式结构为原型设计柱-柱节点模型,对框架结构异形柱-柱节点进行有限元分析,研究结果表明:在开裂阶段,钢筋没有屈服,无明显应变;进入屈服阶段,随着荷载的逐渐增加,受拉区混凝土的裂缝不断发展;极限阶段,柱子的变形明显变大,受压区高度减小,混凝土底部受压区被压碎。整个过程中上下柱连接区域未出现明显的破坏,异形柱-柱节点连接性能良好。关键词:框架结构;柱-柱节点;有限元分析F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so fS p e c i a l-s h a p e dC o l u m n-c o l u m nJ o i n t si nF r a m eS t r u c t u r e sF UJ u n-x i o n g,ZHA OS h i-y a(O p e r a t i o na n dM a i n t e n a n c eC e n t e ro fH u b e iD CC o r p o r a t i o n,S t a t eG r i d,Y i c h a n g4 4 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h ep r e f a b r i c a t e ds t r u c t u r eo f a c e r t a i np r o j e c t,t h e s p e c i a l-s h a p e dc o l u m n-c o l u m n j o i n t sm o d e l i sd e s i g n e d,a n dt h e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s i sc a r r i e do u t.T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t:i nt h ec r a c k i n gs t a g e,t h es t e e lb a rd o e sn o ty i e l da n dh a sn oo b v i o u ss t r a i n,a n de n t e r st h ey i e l d i n gs t a g e.W i t ht h eg r a d u a l i n c r e a s eo ft h el o a d,t h ec r a c k so f t h ec o n c r e t e i nt h e t e n s i o na r e ad e v e l o pc o n t i n u o u s l y.I nt h e l i m i t s t a g e,t h ed e f o r m a t i o no f t h ec o l u m no b v i-o u s l y i n c r e a s e s,t h eh e i g h to f t h e c o m p r e s s i o nz o n ed e c r e a s e s,a n d t h e c o m p r e s s i o nz o n e a t t h eb o t t o mo f t h e c o n c r e t e i sc r u s h e d.D u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s,t h e r e i sn oo b v i o u sd a m a g e i nt h ec o n n e c t i o na r e ao f t h eu p p e r a n d l o w e r c o l u m n s,a n dt h es p e c i a l-s h a p e dc o l u m n-c o l u m n j o i n t sp e r f o r m a n c e i sg o o d.K e yw o r d s:f r a m es t r u c t u r e;c o l u m n-c o l u m n j o i n t s;f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s收稿日期:2 0 2 3-0 8-3 0.作者简介:付俊雄(1 9 9 0-),硕士,工程师.E-m a i l:1 7 6 7 9 7 2 4 5 8q q.c o m1 设计概况以某工程的装配式结构为原型设计柱-柱节点模型1-3,确定异形装配式齿槽柱-柱节点模型的尺寸及钢垫板的布置,如图1和图2所示,具体截面尺寸及配筋如图3所示。19建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期2 单元类型的选择A B AQU S有限元软件拥有丰富的单元库,其中应力/位移单元的实体单元族广泛应用于各个领域。此次模型的混凝土单元采用C 3 D 8 R,即八节点六面体实体减缩积分单元,线性减缩积分很大程度上减少了模型的计算时间,提高了计算结果的准确性,解决了刚度过大、应力不连续等问题。3 本构关系1)混凝土本构模型有限元软件A B AQU S为用户提供了三种混凝土本构模型,包括弥散裂纹模型(S m e a r e dC r a c k M o d-e l)、脆性断裂模型(B r i t t l eC r a c k i n g)、塑性损伤模型(P l a s t i c i t yD a m a g e)。该文选用不考虑损伤因子的塑性损伤模型来模拟柱-柱节点的混凝土在单调加载下的受力性能。该文齿式连接节点所采用的混凝土本构模型为塑性损伤模型。2)钢材本构模型钢材的本构模型通常分为三种,即理想弹塑性模型、弹塑性模型和刚塑性模型。此次建模采用弹塑性模型,遵循V o nM i s e屈服条件,V o nM i s e屈服准则定义为e=121-()22+2-()32+3-()12式中,e为材料的屈服强度;1、2、3分别是材料受到的三个应力方向的屈服强度。4 有限元模型的建立1)网格划分异形柱-柱节点有限元模型如图4所示,其中混凝土采用实体单元,钢筋采用桁架单元。2)边界条件及荷载设置三个模型的边界条件都是柱子底面及以上6 0 0mm的区间范围为固结4-6。此次模拟的所有柱轴压比均为0.1 5。在柱端部施加水平位移,位移最大幅值为4 0mm。29建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期5 有限元计算结果整个加载过程经历了开裂阶段、屈服阶段以及极限阶段,每个阶段的钢筋和混凝土都有不同的特征。有限元计算结果如表1所示。表1 各阶段有限元结果对比阶段开裂荷载/k N开裂位移/mm屈服荷载/k N屈服位移/mm极限荷载/k N极限位移/mm数值2 1 8.83.24 7 4.82 0.25 0 1.92 9.0 1)开裂阶段水平荷载加载初期,柱-柱节点处于弹性状态,随着荷载的增大,上柱底端受拉侧最先发生混凝土拉裂的情况;开裂阶段的钢筋没有屈服,无明显应变。此阶段的混凝土和钢筋的应力云图如图5、图6所示。这个阶段的上柱突出的齿和钢垫板均发生破坏,应变较小。2)屈服阶段随着荷载的逐渐增加,受拉区混凝土的裂缝不断发展,上、下柱受压区混凝土部分到达抗压强度,如图7所示。柱子端部受拉区的钢筋应力增长较快,最先达到屈服,如图8所示。荷载的增加使得上柱凸出的混凝土和钢垫块的应力明显提高,但凸出的混凝土的应变仍然没有达到拉伸或压缩等效塑性应变,即没有发生拉裂或者压缩的现象,连接表现良好。(下转第9 7页)39建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期 3)破坏阶段水平荷载加载至P=5 9 0k N左右时,剪力墙整体变形逐渐增大,混凝土达到开裂值的区域不断增大,表明混凝土出现明显破坏,且剪力墙翼缘底部混凝土达到极限受压应力,表明此处混凝土被压碎。6 结 语使用AN S Y S软件,采用分离式方法,建立型钢混凝土剪力墙有限元模型,并且在建模时,单元共用节点,忽略粘结滑移对模型承载力的影响,由计算结果可知:沿各个方向加载的型钢混凝土剪力墙有限元模型的受力情况共分为三个阶段。在弹性阶段,型钢混凝土剪力墙模型整体变形较小;进入塑性阶段,剪力墙端部钢筋和型钢先后发生屈服,模型整体变形增大;破坏阶段,模型混凝土开裂区域不断扩大,受压区混凝土达到极限压应力,结构发生破坏。参考文献1 王玉镯,王灿灿,祝德彪,等.高温作用下型钢与混凝土粘结滑移的试验研究J.防灾减灾工程学报,2 0 1 6,3 6(3):3 6 2-3 6 6.2 W a n gX i a n l i n,L i uY u q i n g,Y a n gF e i,e t a l.E f f e c to fC o n c r e t eC o v e ro nt h eB o n d-s l i pB e h a v i o rB e t w e e nS t e e lS e c t i o na n dC o n c r e t e i nS R CS t r u c t u r e sJ.C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 9,2 2 9(3 0):1 1 6 8 5 5.1-1 1 6 8 5 5.1 7.3 肖全东,郭正兴.装配式混凝土双板短肢剪力墙拟静力试验J.哈尔滨工业大学学报,2 0 1 4,4 6(1 2):8 4-8 8.4 卢化松.型钢韧性混凝土短梁抗剪性能试验研究D.西安:西安建筑科技大学,2 0 1 4.5 翟渊军,李晓芬,马文亮,等.S O L I D 6 5单元在钢筋混凝土结构非线性分析中的应用J.电网与水力发电进展,2 0 0 7,2 3(8):5 1-5 4.(上接第9 3页)3)极限阶段荷载进一步加大,柱子的变形明显变大,受压区高度减小,混凝土底部受压区被压碎。底部受压区钢筋少部分呈现屈服状态。这个阶段上柱凸出的混凝土齿受拉侧应力接近抗拉强度值,但仍没有超过该值,故判定突出混凝土没有发生受拉破坏。对于钢垫块,小部分单元已经到达屈服强度,但钢垫块变形不大,连接良好。由此可判断,装配式柱的破坏主要是因为底部受压区混凝土被压碎,柱子变形过大,上下柱连接区域未出现明显的破坏,连接性能良好。6 结 语该文使用A B AQU S软件,建立框架结构异形柱-柱节点有限元模型,由计算结果可知:整个加载过程经历了开裂阶段、屈服阶段以及极限阶段,每个阶段的钢筋和混凝土都有不同的特征。在开裂阶段,钢筋没有屈服,无明显应变;进入屈服阶段,随着荷载的逐渐增加,受拉区混凝土的裂缝不断发展;极限阶段,柱子的变形明显变大,受压区高度减小,混凝土底部受压区被压碎。由此可判断,框架结构异形柱-柱节点的破坏主要是因为底部受压区混凝土被压碎,柱子变形过大,上下柱连接区域未出现明显的破坏,异形柱-柱节点连接性能良好。参考文献1 陈 凯.阀厅钢屋架与防火墙连接节点性能分析D.武汉:武汉理工大学,2 0 1 1.2 李标俊,李其书,杨跃辉.兴安直流工程换流站设计和自主化特点J.电力建设,2 0 1 0,3 1(4):1 7-2 0.3 梁旭明,张 平,常 勇.高压直流输电技术现状及发展前景J.电网技术,2 0 1 2,3 6(4):1-9.4 崔 瑶.装配式混凝土结构M.北京:中国建筑工业出版社,2 0 1 6.5 李晓明.装配式混凝土结构关键技术在国外的发展与应用J.住宅产业,2 0 1 1(6):1 6-1 8.6 高 林.预制装配框架结构灌浆套筒式节点试验研究J.世界地震工程,2 0 1 6,3 2(1):7 5-8 0.79建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期