建筑混合结构梁墙节点抗震性分析

摘要：本文从钢筋混凝土有限元分析的特征出发，利用ANSYS有限元分析软件，对钢梁一型钢混凝土节点进行三维实体建模及相关的计算收敛问题及处理方法，希望通过本文的分析研究，能为建筑混合结构梁墙节点抗震性研究领域做出一些贡献。

关键词：建筑混合结构、梁墙节点、有限元分析

Abstract: this article from the characteristics of reinforced concrete finite element analysis, based on ANSYS finite element analysis software, the steel of a steel reinforced concrete node on the 3 d entity modeling and related the convergence problem and processing method, this paper analyzes research of hope for building mixed structure beam wall node research field vibration resistance make some contributions.

Keywords: building mixed structure, beam wall node, finite element analysis

中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：

引言

本文采用牛顿一拉弗逊方法对建筑混合结构梁墙节点抗震性能进行具体分析。牛顿一拉弗逊方法也称为切线刚度迭代法，它是一种变刚度的迭代法，采用了变化的切线刚度。

文中应用ANSYS有限元分析软件，对钢梁一型钢混凝土节点进行三维实体建模，建模的过程主要包括:单元类型的选取、本构模型的选取、几何模型的建立和计算收敛问题及处理方法等。

一、钢筋混凝土有限元分析的特点

钢筋混凝土有限元分析较其他tnl体力学有限元分析的不同之处主要有:

（1）有限元中需要模拟混凝土的开裂和裂缝发展过程，特别在反复荷载作用下的裂缝开裂和闭合过程；

（2）在模型中要适当反映钢筋与混凝土的粘结和滑移机理，对于型钢和混凝土组合，由于型钢界面尺寸大，表面光滑，界面剪力很大，型钢与混凝土之间位移不协调情况更为显著，必须要考虑；

（3）分析中需要模拟混凝土达到峰值应力以后的性能，因为一个部位的混凝土达到峰值应力并不能说明整个结构达到极限状态，同时也应模拟钢筋屈服以后的性能；

（4）对于复杂的钢筋混凝土结构，材料非线性问题与几何非线性问题同时存在，计算难度很大；

（5）分析结果很大程度上依赖于混凝土材料和钢筋材料的本构关系以及钢筋和混土之间粘结滑移的本构关系。

二、ANSYS软件对钢梁一型钢混凝土结构的具体分析过程探讨

1、型钢混凝土模型单元类型的选取

本文用solid65单元来模拟钢筋混凝土，采用由弥散钢筋单元组成的接体式钢筋模型。型钢单元采用了ANSYS单元库中的非常适合拟非线性性薄壳结构的4节点塑性小应变单元sheII143。

（1）、钢筋混凝土单元

由于混凝土本身具有开裂、压碎、塑性等许多复杂的力学行为，在三维受力条件下的力学行为更加难以确定。

分析时，在程序内部考虑了混凝土材料的很多非线性性质。，因此，能够在三个正交方向上较好的模拟混凝土开裂以及压碎，很形象地描述混凝土的带裂缝工作性能。与实际情况较接近，为使用者提供了很大的方便。

（2）、型钢单元

由于剪力墙内暗柱和钢梁的型钢都是由钢板焊接而成的，钢板的厚度远小于钢板的平面尺寸，建立有限元模型时可以使用壳单元来模拟。

（3）型钢混凝土结构有限元模型

型钢混凝土结构可以看作是由型钢和钢筋混凝土两部分构成，因此型钢混凝土中的钢筋混凝土部分可以采用上述的三种有限元分析模型，目前在型4IX1混凝土结构中应用较多的是分离式和整体式模型。

2、混凝土的裂缝模型

对裂缝的处理，ANSYS可以采用离散、分布或断裂的裂缝模型。

在部分的裂缝模型中，考虑到骨料的联锁作用，引入残留抗剪系数。在离散裂缝模型中，一般都采用单元重划分技术，若发现应力超过断裂应力，手工修改结构或杀死单元来模拟裂缝的出现和扩展。

在裂缝可能出现和扩展的位置建立专门的单元，然后对专门区域的单元采用单元生死技术来处理。如果通过断裂力学模型模拟裂缝的扩展过程，需要采用动态网格划分，通过ANSYS的宏命令流可以实现。故ANSYS一般采用分布裂缝模型来处理作为裂缝处理方式。

3、材料破坏准则和本构关系

ANSYS中混凝土的木构模型中，钢筋和型钢采用的是理想弹塑性本构关系，破坏条件采用Von Mises屈服准则。

（1）混凝上开裂后的本构关系

ANSYS程序对混凝土开裂的处理采用弥散裂缝模型。混凝士开裂后，开裂面混凝土抗拉强度的下降成郊通过抗拉强度调整系数R来表示。混凝土开裂情况下的强度见图1。

图1 混凝土开裂情况下的强度

（2）混凝土压碎后的处理

对混凝土压碎后的处理为：当材料在积分点出现单轴、双轴或者三轴受压破坏时，即认为材料在该积分点被压碎。在所选单元中，压碎被认为是材科的彻底破坏。

(3)混凝土的破坏准则

混凝土的破坏准则是判断混凝上是否破坏的依据，是在实践的基础上，考虑到混凝土的特点而求出来的。

在复杂应力状态下，材料破坏条件比单轴应力状态下要复杂的多。在ANSYS程序中混凝土的破坏准则就是选用了willam- Warnke五参数模型。Willam一Warnkc五参数破坏面的表达式为：

式中：F为单元的应力状态函数.是主应力的函数:S为混凝土的强度函数。

按照主应力大小可将混凝土受力分为四种应力状态（具体四种状态的计算过程在此不再赘述）。在ANSYS中需要输入混凝土单轴受压应力-应变关系的数学表达式，见图2所示。将其下降段改为水平直线是为了解决有限元计算过程中的收敛问题。

图2 混凝土应力-应变曲线

4、节点几何模型

本文根据某实体混合结构体系的设计图，简化设计了本文的节点模型，具体几何尺寸和配筋、材料参数、以及单元的划分、边界条件、荷载和计算收软问题和处理方法，由于篇幅有限，在此不再赘述。

结论

本文采用牛顿一拉弗逊方法对建筑混合结构梁墙节点抗震性能进行具体分析。文中应用ANSYS有限元分析软件，对钢梁一型钢混凝土节点进行三维实体建模，建模的过程主要包括:单元类型的选取、本构模型的选取、几何模型的建立和计算收敛问题及处理方法等。希望通过本文的分析研究，能为建筑混合结构梁墙节点抗震性研究领域做出一些贡献。

参考文献

朱清峰.高层钢—混凝土混合结构节点抗震性能及设计方法研究. 工程建设;2007

【2】王巧;高层建筑混合结构梁墙节点抗震性能研究[D];西安建筑科技大学;2007年

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。