罕遇地震作用下大懸挑鋼架組合節(jié)點的有限元分析

趙師平

(核工業(yè)西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610000)

近年來，國內外出現了大量大懸挑結構，其立面和空間的凸凹效果及豐富變化，受到建筑師們的青睞。最大的懸挑跨度已達75 m (CCTV 新址)。為了解決這類大懸挑結構問題，鋼-混凝土組合結構被廣泛采用。國內外對各種類型的鋼-混凝土組合節(jié)點開展了一系列試驗研究[1-6]，結果表明設計合理的組合節(jié)點具有良好的承載能力和變形性能，并在地震作用下具有良好的延性和耗能能力。

隨著有限元技術的迅速普及，工程非線性計算已經得到了迅猛發(fā)展。MIDAS/FEA是針對土木結構領域開發(fā)的具有土木專業(yè)特點的非線性詳細分析軟件。較MIDAS以前的產品提供了更直觀、更多樣化的建模方式和更強大的分析功能，并利用最新的求解器獲得了更快的分析速度，其卓越的圖形處理功能為設計人員的提供了美觀多樣的分析結果。

本文采用數值模擬方法對武勝文化館大跨度懸挑鋼架的典型節(jié)點進行了有限元分析。

1　工程概況

武勝文化館位于四川省廣安市武勝縣城市綜合體片區(qū)內，總建筑面積約2.5×104m2。

本建筑由地上5層和地下1層組成。樓層整體外挑尺寸12.2 m。圖1為本工程的效果圖。

圖1　工程效果圖

2　典型節(jié)點分析

為了保證懸挑部位節(jié)點可靠連接，對節(jié)點進行精細分析。采用MIDAS/FEA對3種典型節(jié)點進行了有限元分析。鋼構件及混凝土均采用實體單元，鋼筋采用鋼筋單元。假定型鋼與混凝土之間界面不考慮滑移，型鋼單元與混凝土單元直接耦合，每種節(jié)點均采用罕遇地震作用下的內力組合。

3　典型節(jié)點一數值模擬結果及分析

由圖2可以看出，混凝土的最大Mises應力出現在鋼撐下翼緣處的混凝土部位，此處應力集中，最大應力27.2 MPa，所占比例不足0.1 %。多數單元應力均在15 MPa以下，應力分布均勻，混凝土處于彈性工作狀態(tài)。由圖3得到型鋼的應力分布狀態(tài)，鋼撐下翼緣與型鋼混凝土柱交接處，最大Mises應力為151.08 MPa，應力水平較低，處于彈性工作狀態(tài)。由圖4得到鋼筋的應力分布狀態(tài)，型鋼混凝土柱中的縱筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應力223 MPa；型鋼混凝土梁中，上部鋼筋主要處于受拉狀態(tài)，最大拉應力218 MPa，下部鋼筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應力231 MPa；總體來說，鋼筋處于彈性工作狀態(tài)。

圖2　混凝土單元應力云圖

圖3　型鋼單元應力云圖

圖4　鋼筋單元應力云圖

圖5　混凝土單元應力云圖

4　典型節(jié)點二數值模擬結果及分析

由圖5可以看出，混凝土的最大Mises應力出現在型鋼混凝土梁2的上下表面部位，此處應力集中，最大應力22.5 MPa，但所占比例較小，僅為總單元數的0.6 %。其余部位應力均在17 MPa以下，應力分布均勻，可以認為混凝土多數處于彈性工作狀態(tài)。由圖6得到型鋼的應力分布狀態(tài)，最大應力型鋼混凝土梁1、2、3中型鋼上下翼緣處，為107.6 MPa，鋼撐下翼緣初的應力為81.5 MPa，應力水平較低，處于彈性工作狀態(tài)。由圖7得到鋼筋的應力分布狀態(tài)，型鋼混凝土柱中的縱筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應力152 MPa；型鋼混凝土梁2中，上部鋼筋主要處于受拉狀態(tài)，最大拉應力266 MPa，下部鋼筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應力291 MPa；總體來說，鋼筋處于彈性工作狀態(tài)。

圖6　型鋼單元應力云圖

圖7　鋼筋單元應力云圖

5　典型節(jié)點三數值模擬結果及分析

由圖8得到鋼構件最大Mises應力為110.6 MPa，其次是鋼柱部位，應力為56.8 MPa，應力水平較低，處于彈性工作狀態(tài)。

圖8　型鋼單元應力云圖

6　結論

鋼筋混凝土柱剛度大、耐久、耐火性及受壓性能好；而鋼梁塑性性能好、強度較高、質量輕，可加快工程施工的進度，并且能減小構件的截面尺寸，增加有效使用空間?？紤]鋼梁延性較好，鋼筋混凝土柱剛度較大，二者的組合能更好地控制結構在地震作用下達到“強柱弱梁”的效果，使塑性鉸優(yōu)先出現在梁端。利用MIDAS/FEA有限元軟件，分析了典型節(jié)點的受力狀態(tài)，得出了節(jié)點在罕遇地震作用下處于彈性工作狀態(tài)，能滿足超限建筑性能目標設計。