框架梁與剪力墻直交節(jié)點(diǎn)彈性有限元分析

余賓寧 李志亮

（1、重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045 2、機(jī)械工業(yè)部第六設(shè)計(jì)研究院重慶分院，重慶 401120）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展和結(jié)構(gòu)技術(shù)的提高，全國各地涌現(xiàn)出大量的高層建筑，鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-核心筒結(jié)構(gòu)在高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。因建筑使用功能和結(jié)構(gòu)布置的要求，兩種結(jié)構(gòu)體系均會(huì)出現(xiàn)框架梁垂直剪力墻平面支承于墻上而形成梁－墻平面外連接節(jié)點(diǎn)的情況，稱之為框架梁-剪力墻直交節(jié)點(diǎn)。結(jié)合工程實(shí)際，文章對(duì)框架梁-剪力墻直交節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)方案，并用ABAQUS對(duì)其進(jìn)行彈性有限元分析。

2 ABAQUS簡介

ABAQUS是功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，它可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，模擬非常強(qiáng)大的復(fù)雜模型，處理高度的非線性問題。它對(duì)每個(gè)部件定義材料參數(shù)，劃分網(wǎng)格，然后將它們組裝成完整模型。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時(shí)還可以完成系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。用戶只需提供結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、邊界條件和荷載工況等工程數(shù)據(jù)。由于ABAQUS強(qiáng)大的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，它在各國的工業(yè)和研究中得到廣泛應(yīng)用，在大量的高科技產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著巨大的作用。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試件幾何尺寸

彈性分析以一個(gè)基本模型為基準(zhǔn)，通過改變參數(shù)，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與基本模型結(jié)果，獲得各參數(shù)影響規(guī)律?；灸Ｐ图袅Τ叽纾ㄩL×高×墻厚）為 1500mm×1500mm×150mm，梁截面尺寸為200mm×400mm，梁長1350mm。試件QL-1的幾何尺寸圖如圖1所示。

墻-梁平面外連接節(jié)點(diǎn)由梁和墻組成，其受力性能與梁和墻關(guān)系密切，根據(jù)已有研究資料和試驗(yàn)結(jié)果，影響墻-梁節(jié)點(diǎn)截面力分布和變形性能的可能主要因素為節(jié)點(diǎn)邊界條件、墻高H、墻長L、墻厚t、梁高h(yuǎn)、梁寬b、抗彎條帶剛度、抗扭條帶剛度以及軸壓比等。在實(shí)際工程中，墻的軸壓比通常不大，因此本試驗(yàn)采用一較低軸壓比。各試件采用相同的軸力，其實(shí)際試驗(yàn)軸壓比均為0.1左右。

3.2 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)加載裝置圖如圖2所示。剪力墻下部地梁用鋼壓梁與地面固定，剪力墻上部用1500千牛油壓千斤頂施加軸壓比為0.1的豎向荷載，千斤頂下面設(shè)有高度為450mm的較大剛度的工字型鋼梁，使豎向荷載均勻地分配到剪力墻的上端。試件懸挑梁端用250千牛、行程為500mm的拉壓千斤頂施加靜力低周反復(fù)荷載，其作用點(diǎn)距離剪力墻的邊緣距離為1.2m。圖2給出了試件QL-1實(shí)際加載裝置圖，其他試件裝置圖與之相同。

4 ABAQUS彈性有限元分析

4.1 模型的建立

模型的建立是在大型通用有限元分析軟件ABAQUS的前處理環(huán)境中進(jìn)行的。根據(jù)需要，我們對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡化?？蚣芰?個(gè)方向的尺寸較其他2個(gè)方向的尺寸都不是很小，將其設(shè)置為三維實(shí)體單元（Solid），剪力墻厚度方向的尺寸比其他2個(gè)方向的小很多，將其設(shè)置為殼單元（Shell）。基本模型剪力墻尺寸（長×高×墻厚）為1500mm×1500mm×150mm，梁截面尺寸為400mm×200mm（高×寬），梁長為1000mm。試件QL-1的材料為鋼筋混凝土，其本身具有非線性的特性，為將其簡化為彈性分析，因此將鋼筋混凝土簡化為用彈性材料模型，其彈性模量為E=30000MPa，泊松比為μ=0.2，密度為ρ=2500kg/m3。

框架梁與剪力墻的幾何模型分別建立后，在ABAQUS中的Assembly模塊下進(jìn)行組裝，梁與墻的相對(duì)位置應(yīng)與試件QL-1的一致。組裝好后的模型，框架梁與剪力墻并沒有發(fā)生任何相互作用，應(yīng)對(duì)梁與墻連接處采用綁定（Tie）約束，保證在整個(gè)模擬過程中，與梁連接的部分墻受三維實(shí)體梁的約束而與梁保持相同的自由度，也使得節(jié)點(diǎn)處的變形協(xié)調(diào)。

為了方便獲得墻的截面剪力、彎矩等結(jié)果，直觀顯示截面力分布規(guī)律，節(jié)點(diǎn)模型中墻采用殼體單元（SC8R），簡化了采用實(shí)體單元時(shí)截面力需要單元應(yīng)力沿墻厚進(jìn)行積分的過程，梁則采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元（C3D8R）。為模擬框架梁-剪力墻直交節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的邊界約束，模型中的邊界條件為墻上、下皆為鉸接，使其固定住。試件加載的位置在框架梁端部，因此我們建模時(shí)在梁端部設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)RP-1，使得該點(diǎn)與梁的橫截面端部建立耦合約束（Coupling）。在參考點(diǎn)點(diǎn)處施加向下荷載100kN，該點(diǎn)將帶動(dòng)框架梁梁端面一起向下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到施力的目的。

4.2 分析結(jié)果

將建立好的模型帶入ABAQUS中的Job模塊中進(jìn)行分析，其分析作業(yè)的類型（Job type）為完全分析（Full analysis），其分析后模型的Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。

由此可知：

a.梁由于在自由端受到向下的拉力，有向下?lián)锨默F(xiàn)象，其最大位移為-1.38126E+00mm，剪力墻受到梁的牽動(dòng)，由于在節(jié)點(diǎn)處與框架梁變形協(xié)調(diào)，因此在中心處有向梁方向鼓曲的趨勢。b.剪力墻所受到的應(yīng)力在梁-墻節(jié)點(diǎn)處最大，最大值為1.481E+01Mpa，并由節(jié)點(diǎn)處向四周呈均勻擴(kuò)散的趨勢，框架梁節(jié)點(diǎn)處邊緣所受到的應(yīng)力最大（在梁節(jié)點(diǎn)的頂部纖維和底部纖維處），最大值為1.481E+01Mpa，并且一方面向著梁自由端擴(kuò)散，另一方面向截面中和軸的方向擴(kuò)散，在梁截面中和軸位置，受到的應(yīng)力為0，梁的應(yīng)力的分布與懸臂梁的應(yīng)力分布規(guī)律一致。

5 結(jié)語

5.1 本文以高層建筑中的框架梁-剪力墻直交節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，建立了簡化的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了彈性階段的有限元分析。

5.2 由分析可知，框架梁在節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力最大，但厚度不大的剪力墻并沒有相應(yīng)的空間留給梁鋼筋有足夠的錨固長度，使得節(jié)點(diǎn)的承載力不足，解決的辦法有在節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置暗柱，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的加固，還有在墻上節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置橫向明梁，以增強(qiáng)框架梁的錨固長度。

5.3 該模型只是進(jìn)行了簡單的彈性分析，并沒有考慮鋼筋混凝土材料的非線性性質(zhì)，而剪力墻簡化為殼單元，并沒有按照實(shí)際的尺寸建模，其分析比較粗略，更精確的建模分析有待后續(xù)的研究。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.北京.中國建筑工業(yè)出版社.

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ3-2002，J186-2002.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.北京.中國建筑工業(yè)出版社.2002

[3]楊華，錢稼茹，趙作周.鋼筋混凝土梁－墻平面外連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn).建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2005.8

[4]朱祖敬.鋼筋混凝土梁－薄墻正交節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究.重慶大學(xué)碩士論文[D].2006.6.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2006.6