型钢混凝土异形节点非线性分析研究.pdf

第40卷第3期
建筑技术开发
2013年3月
Building Technique Development
Mar.2013
型钢混凝土异形节点非线性分析研究
黄飞
(湖北省林业勘察设计院,武汉430223)
[摘要]根据非线性有限元理论,?型钢混凝士异形节点的材料选取,本构关系的确定,损伤模型的建立进行了分析
研究,运用有限元软件对一异形节点进行建模分析,得到了异形节点的破坏情况和应力分布特征,并通过非
线性分析结果进行了异形柱抗震性能的分析,为实际工程应用提供了参考。
关键词]异形节点;非线性;有限元;抗震
中图分类号]TU31.2
[文獻标志码]
[文章编号]1001-523X(2013)03-00011-03
异形柱框架结构将建筑美观、使用功能的灵活的重要性。鉴于节点的受力复杂性和位置的关键
性与建筑结构合理的受力性能有机地结合起来,得性,节点的计算和构造应给予高度的重视。
到了迅速的发展,尤其是近几年其发展趋势更是2材料本构
迅猛,但是由于异形柱与矩形柱在截面特性方面
材料的本构关系是反映物质宏观性质的数学模
有很大差异,导致其结构受力性能与普通框架结型,在一般结构分析中,本构关系通常指材料的应力
构也有很大程度的不同,使得梁柱连接的节点问应变关系?。混凝土是一种复合的多相材料,内部
题却成为工程应用中的难点,制约了其进一步的结构非常复杂,进行非线性有限元分析时,要点在于
推广使用。因此研究异形节点的抗震性能是十分从宏观层次上研究混凝土的强度理论和本构关系,
必要的。
单一的非线性弹性、弹塑性模式很难描述这些特征,
异形节点概述
而损伤力学则既可考虑混凝土材料在未受力时初始
异形柱框架节点根据所处位置不同按照形状可裂缝的存在,也可反映在受力过程中由于损伤积累
以分为五种类型,即顶层边柱节点(r型);顶层中产生的裂缝扩展而导致应变软化。
柱节点(T型);中间层边柱节点(上形);中间层中
根据《混凝士结构设计规范》(CB50010-2011)
柱节点(十型)。实际空间框架结构中,与节点平面附录C可知,在重复荷载作用下,混凝土应力ー应变
相垂直的一侧或两侧还有纵向直交梁,这样组合起关系如图1所示,受压混凝土卸载及再加载应力途径
来就有多达十余种不同形状的节点。
按下式确定:
节点是连接梁和柱的关键部位?,是框架梁、
=E,(
柱的传力枢纽,梁和柱等构件的内力通过节点传递,
E
unv
因此节点工作的安全可靠是保证结构正常工作的前
(e,+6)o
提。异形节点结构形式的复杂性,使节点处于压
弯、剪复合受力状态,甚至已经部分超出了弹性受力
0.09s
。。=m8X
阶段而发生内力重分布现象。大量结构破坏的原因
并不是因为梁柱构件失效,而是由于设计阶段对节
点复杂受力行为的忽视而导致。
在复杂的地震作用下,一旦节点破坏,不仅与其
相连的梁柱不能正常工作,而且该节点以上各层都
不可能正常工作。在抗震设计中提出“强柱弱梁
强节点弱杆件”的设计原则也体现了节点在结构中
E
收稿日期:2012-12-15
作者简介:黄飞(1981-),男,湖北人,毕业于华中科技大学,本科学
历,工程师,现从事结构设计工作。
图1重复荷载作用下混凝土应カー应变关系
第3期
黄飞:型钢混凝土异形节点非线性分析研究
第40卷
其中,0、e分别为受压混凝土的压应力和压应3异形节点分析
变;s,为受压混凝土卸载至零应力点时的残余应
以实际异形节点为原型建模进行非线性分析,
变;m、n分别为受压混凝土从骨架线开始卸载时研究异形边节点的破坏情况,得到节点的受力机理,
的应力和应变;。为附加应变;。为混凝土受压峰进而提出异形节点的抗震设计方法及抗震构造措
值应力对应的应变。
施。由于有限元分析模型中的分离式模型可以分别
考虑到节点破坏时,破坏截面的钢筋或型钢已对混凝土和钢材进行刘分处理,閃此异形边节点有
经进人塑性段,为保证钢筋和型钢的应力应变关系限元分析模型采用分离式模型建模。模型边界条件
具有唯一性使非线性分析收敛,节点非线性有限元为柱脚固定铰接,梁端设置可动铰支座,柱顶施加轴
分析时型钢和钢筋均采用各向同性的双线性随动强向力和水平反复荷载。即建模过程中,约束柱脚的
化模型,模型考虑了钢材的包辛格效应。该模型的上下左右平动,不限制转动;约束梁端的竖向位移。
节点本构关系模型如图2所示。
加载过程先施加柱顶的轴压力,再施加柱端水
平反复荷载。水平荷载的施加采用位移控制的方
0.01Es
式。为了模拟混凝土的开裂、通裂、极限到破坏得全
过程受力变形情况,采用足够多的荷载步。
图2钢筋及型钢的应力ー应变曲线
混凝土在复杂应力状态下的破坏比较复杂4
但不论何种破坏,均是以混凝土达到极限承载力为
标志。将混凝土的破坏包络曲面用数学函数加以描(a混凝上受压损伤分布
b)型钢骨架 MISES应力
述,作为判定混凝土破坏的条件,称为破坏准则。混
图3异形节点应力
凝土的破坏准则一般用混凝土的应力状态r:的函
从图3节点的有限元应力图可以看出,节点在破
数来表示,即
坏时,梁端破坏严重,梁筋屈服,节点核芯区钢筋和型
(5
钢的应力远小于梁筋;柱子混凝土损伤分布均匀,墙
式中,K1、K2、K3…K。为反映材料性质的参数,体中的槽钢及钢筋的应力接近屈服强度,墙体箍筋发
有材料强度试验确定。
生外鼓变形。节点梁底钢筋及与其接近的下柱端钢
式(5)中的破坏准则在以9个应力分量为坐筋的应変较大。从节点的型钢骨架的应力发展可以
标的九维应力空间中为一超曲面,称为破坏曲面,破看出,节点的内力由梁筋传人节点区和节点柱。
坏曲面上的点为混凝土发生破坏的临界点,曲面外4结论
的点表示混凝土已坏,而曲面内的点代表混凝土尚
本文通过型钢混凝土边节点模型的有限元仿真
未破坏。
分析,对异形节点形式的可行性、基本力学性能、破
随着混凝土多轴试验数据的积累,国内外研究坏形态等进行了较为全面的研究。结果表明该节点
人员提出了多种混凝土破坏准则,这些准则的表达形式具有良好的力学性能,满足“强柱、弱梁、节点
式采用不同的变量,根据国内外大量的混凝土多轴更强”的抗震设计要求,模型试件的最终破坏源于
强度试验数据,对按通用公式计算的理论值进行比混凝土柱的破坏,钢筋混凝土梁的破坏对节点核心
较,在计算值与试验值的相符程度、适用的应力范同区的影响不大,节点破坏时核心区部分大多处于弹
和理论破坏包络面几何特征的合理性等方面加以评性状态,承载力有较大的增长潜力;由于在节点核心
定, Willam& g W anke五参数准则情况良好。因此,区配置了型钢、竖向及环向钢筋,节点的受力状况得
本文根据结构或构件的应力范围和准确度要求选用以大大政善。
五参数 Willam& Warnke强度准则。
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