框架空間節(jié)點(diǎn)的拉壓桿模型方法探討

熊維建 蘇小卒

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)重要部位,它在框架結(jié)構(gòu)中起著連接梁柱、傳遞和分配內(nèi)力、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的變形、保證結(jié)構(gòu)整體性的作用。節(jié)點(diǎn)是個(gè)薄弱環(huán)節(jié),如果節(jié)點(diǎn)破壞可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌這樣的嚴(yán)重災(zāi)害,所以對(duì)鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入的理論研究是十分必要的。一方面鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)處于梁柱交匯處,再加上直交梁和樓板等因素的影響,受力復(fù)雜,分析困難?，F(xiàn)在很多用于研究框架結(jié)構(gòu)空間節(jié)點(diǎn)的拉壓桿模型是簡(jiǎn)化為平面的拉壓桿模型,這種使得分析簡(jiǎn)單許多的簡(jiǎn)化有其合理性。但是如果想更加全面的分析其受力機(jī)理,還得從其實(shí)際的空間情況來(lái)研究。

1 框架節(jié)點(diǎn)運(yùn)用拉壓桿研究現(xiàn)狀

我國(guó)規(guī)范[9]的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式自然有它的局限性,經(jīng)驗(yàn)公式的不少參數(shù)是由試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的,同時(shí)又由于試件數(shù)量有限,所以有一定的適用范圍。節(jié)點(diǎn)屬于D區(qū)構(gòu)件,因此拉壓桿理論能夠得到應(yīng)用。拉壓桿模型可以在結(jié)構(gòu)分析中建立起便于計(jì)算的模型,因此在框架節(jié)點(diǎn)的研究計(jì)算中不失為一種很好的方法。拉壓桿模型這一概念最早可以追溯到Van Dusen于柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的拉壓桿模式[12]。福州大學(xué)的季韜等[10]也推導(dǎo)了一套通過(guò)驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度和鋼筋抗拉強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的方法,這種方法是基于鋼筋混凝土軟化析架模型的。該方法充分利用了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的強(qiáng)度,通過(guò)6個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較,同時(shí)將此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法與GBJ 10-89混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法比較。歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode2[6]關(guān)于框架節(jié)點(diǎn)的拉壓桿模型為角節(jié)點(diǎn)的情況,其沒(méi)有考慮梁柱剪力。其他的研究還有學(xué)者通過(guò)對(duì)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土扁梁框架節(jié)點(diǎn)理論分析和擬靜力試驗(yàn),證明采用變角空間析架模型模擬外核心區(qū)受力機(jī)理的合理性并推導(dǎo)出考慮附加扭矩作用下的外核心區(qū)抗剪公式[11]。

2 空間節(jié)點(diǎn)的拉壓桿模型方法

拉壓桿模型計(jì)算方法是混凝土結(jié)構(gòu)受力本質(zhì)的抽象和概括。隨著計(jì)算機(jī)和有限元方法在工程中的大量應(yīng)用,為保證工程設(shè)計(jì)的足夠精度,同時(shí)避免直接利用有限元計(jì)算,受力概念清晰的拉壓桿模型方法就顯得尤為重要了。與此同時(shí),建立拉壓桿模型也離不開(kāi)有限元,需要用有限元對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力跡線(xiàn)進(jìn)行分析和指導(dǎo),尤其是結(jié)構(gòu)或受力復(fù)雜的情況。拉壓桿模型方法抓住了結(jié)構(gòu)的受力本質(zhì),是有限元在工程中的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,因其受力概念明確,有利于在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用。拉壓桿理論是對(duì)D區(qū)構(gòu)件或部分區(qū)域進(jìn)行分析的結(jié)果與工程實(shí)際所得到的結(jié)果更為接近。它能讓設(shè)計(jì)者更清楚地認(rèn)識(shí)該區(qū)域的傳力機(jī)制,并提供定量的配筋設(shè)計(jì)方法,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不能很好解決構(gòu)造區(qū)域的配筋設(shè)計(jì),并且結(jié)果更加合理安全。因而拉壓桿理論在工程設(shè)計(jì)與研究中得到廣泛應(yīng)用。

2.1 ANSYS中的單元Solid 65于本研究的使用方法

為了便于使用者應(yīng)用,ANSYS軟件內(nèi)部設(shè)定了專(zhuān)門(mén)面對(duì)混凝土材料的三維實(shí)體單元形式Solid 65,并建立了三維情況下混凝土的破壞準(zhǔn)則,提供了很多缺省參數(shù),從而為使用者提供了很大的方便。此外,ANSYS軟件本身所擁有的大量單元形式,可以很方便的讓使用者建立混凝土和其他材料之間的共同工作模型,因此在很多實(shí)際問(wèn)題中都取得了成功應(yīng)用[1,4]。單元Solid 65是加入了混凝土的三維強(qiáng)度準(zhǔn)則的實(shí)體單元模型。由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型,它可以在三維空間的不同方向分別設(shè)定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數(shù)。

2.2 混凝土的破壞形態(tài)

框架節(jié)點(diǎn)的三種典型的破壞方式：1)在梁端或者柱端受拉鋼筋屈服前節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞;2)在梁端或者柱端受拉鋼筋屈服到喪失正截面承載力(受壓區(qū)混凝土壓碎)之間,隨著節(jié)點(diǎn)交替變形逐步增大,節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞;3)在梁端或者柱端受拉鋼筋屈服后,隨著節(jié)點(diǎn)交替變形逐步增大,梁端或柱端塑性鉸充分轉(zhuǎn)動(dòng),直至梁端或柱端喪失正截面承載力?；炷恋钠茐膹?qiáng)度與它所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。一般認(rèn)為混凝土在破壞之前都可視作各向同性體,因此它的破壞準(zhǔn)則就與坐標(biāo)的選擇無(wú)關(guān),混凝土材料在不同的應(yīng)力狀態(tài)下,其承載能力有很大的差異。由于混凝土破壞情況復(fù)雜,在受拉或受壓較小時(shí),破壞為開(kāi)裂型的脆性斷裂,而在高靜水壓力作用下又有較大延性,表現(xiàn)為壓碎型的延性破壞。

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)拉壓桿模型一般特征及使用事項(xiàng)

混凝土結(jié)構(gòu)拉壓桿模型設(shè)計(jì)計(jì)算方法根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的主應(yīng)力跡線(xiàn)圖,用拉桿、壓桿與結(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的桁架模擬結(jié)構(gòu),直接抓住了結(jié)構(gòu)的受力本質(zhì)。拉壓桿模型的理論依據(jù)是塑性原理[2],其基本假定：1)壓桿軸向受壓,拉桿軸向受拉,壓桿和拉桿的結(jié)點(diǎn)不受彎矩。2)由于鋼筋的作用,在結(jié)點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)變,從而使得混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。它在復(fù)雜的框架空間節(jié)點(diǎn)的建立中,可以參照有限元計(jì)算軟件得到的彈性主應(yīng)力跡線(xiàn)來(lái)建立拉壓桿模型。拉壓桿模型設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程,直到壓桿,拉桿與節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足要求為止。建立拉壓桿模型的原則是：壓桿不能相交,而拉桿卻可以。拉壓桿模型方法不能應(yīng)用疊加原理,拉壓桿模型方法是塑性方法,屬于非線(xiàn)性范疇,不能應(yīng)用疊加原理。而且,混凝土強(qiáng)度只能利用一次,不能重復(fù)利用。如何合理性的判別：按最小勢(shì)能原理,結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)該使總勢(shì)能取得最小值。而實(shí)際上,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的應(yīng)力一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)混凝土,應(yīng)變卻基本相同,所以可以只計(jì)算鋼筋的應(yīng)變能,同時(shí)最好使所建立的拉壓桿模型與彈性主應(yīng)力分布較好的相符合,以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)使用性的要求[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

基于大型有限元軟件ANSYS,可以建立復(fù)雜的框架空間節(jié)點(diǎn)的有限元模型,根據(jù)其主應(yīng)力跡線(xiàn),進(jìn)而應(yīng)用拉壓桿方法進(jìn)行研究的步驟。這些理論合理程度的判別尚需要大量的框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,從而為正確設(shè)計(jì)提供更加可靠的依據(jù)。建立在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)之上的拉—壓桿模型法,能夠讓設(shè)計(jì)者對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的內(nèi)部傳力機(jī)制有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí),有利于在設(shè)計(jì)中使結(jié)構(gòu)性能得以充分實(shí)現(xiàn)。

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