型鋼混凝土框架結構滯回性能有限元分析

任亞平

本文全方位的應用ANSYS 軟件中實體單元建立起關于型鋼混凝土框架的最終結構模型，同時在水平單調以及循環(huán)加載這兩個條件下對其進行相應的受力分析工作。通過有限元分析，最終得出型鋼混凝土框架結構在應用的過程當中具有較大的承載能力，同時具有很好的延展性。整個結構在循環(huán)載荷作用下所得到的滯回曲線飽滿且呈現(xiàn)梭形，在實際應用中體現(xiàn)出良好的耗能性。本文得出的最終結論對型鋼混凝土框架結構在應用中所具有的受力性能研究有一定的參考價值。希望通過本文可以為相關工作提供一些參考。

隨著世界經(jīng)濟的不斷快速發(fā)展，世界各國的房屋建筑當前正在不斷增高的過程當中，建筑企業(yè)對建筑物的具體造型投入了大量的心血。這些變化使建筑物在實際應用中的復雜性進一步加強，從而使其抗震性能得不到有效的保障。在西方一些發(fā)達國家中，在進行結構設計的時候大多數(shù)都是通過鋼結構或鋼與混凝土的組合結構來使這些問題得到有效解決。而國內經(jīng)過長期的工程實踐后，發(fā)現(xiàn)型鋼混凝土的組合結構在具體應用時不僅其安全性能能夠得到充分的保證，而且還能充分適應現(xiàn)代建筑對結構的具體需求。因此這種結構在我國各類建筑工程中得到了極其廣泛的應用。

一、研究現(xiàn)狀

為了滿足我國人口居住的需求，國內開始出現(xiàn)一些超高層建筑。要想使超高層建筑的安全性能得到保障，就必須要進一步加大型鋼混凝土（SRC）結構的應用力度。為此，相關學者對其展開了全方位的研究，并且取得了一些突出的成果。

二、型鋼混凝土框架結構有限元分析模型

1.型鋼混凝土框架結構模型

為了使研究工作能夠對工程實踐展開指導，本文主要對型鋼混凝土框架結構分別在水平單向加載以及循環(huán)加載下的受力性能進行研究。在對其加載時，為框架柱豎向加0.4 Ny的軸向壓力。具體設計參數(shù)如下所示：整個模型采用三跨兩層形式，其具體寬度分別為6.0m、2.7m、6.0m，層高為4.2m 框架。具體模型如圖1 所示。

圖1 試件實體模型

型 鋼 的 強 度 設 定 為Q235， 松 比 為0.22，混 凝 土 的 強 度 則 為C40，，泊松比為0.2；為了計算的方便，在實際計算中不對型鋼與混凝土之間存在的相對滑移問題進行考慮。

2.有限元模型建立

考慮到混凝土的實際情況，為其采用SOLID65 單元；而對于型鋼而言，則為其采用SOLID45 單元；鋼筋由于其實際性能為其采用PIPE20 單元。根據(jù)研究物體的實際情況，本文采用映射單元網(wǎng)格劃分模式對相應的有限元模型進行劃分，將基本單元尺寸定義為120mm。

在定義模型加載方案時，考慮到工程實際以及計算的方便，將框架柱腳和地面視為理想剛接結構。而在梁柱的節(jié)點位置處對有限元模型中節(jié)點平面外的自由度進行有效的約束。在加載循環(huán)載荷時分別按照方式進行進行加載，直到試件內部結構產(chǎn)生破壞。

三、型鋼混凝土框架結構在水平載荷作用下有限元計算結果分析

1.單調加載曲線結果分析

當對試件進行單調加載時，相應的載荷位移曲線如圖2 所示。通過對曲線進行全面的研究后不難發(fā)現(xiàn)，在試件實際加載過程中構件的整體受力反映可以將其劃分為三個階段：分別是彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。

圖2 BASE試件單調加載荷載-位移曲線

首先當位移的具體數(shù)值在16mm 之前，BASE 試件將會一直處于彈性階段，反力在這一過程中將會隨著位移值的增加而呈現(xiàn)直線上升的趨勢；其次，當位移的具體數(shù)值大于16mm 之后，試件形狀開始產(chǎn)生變化，進入彈塑形階段。隨著施加壓力的進一步加大，結構反力的具體數(shù)值的增大程度逐漸減緩；最后，當位移達到102mm 及以上時，構件開始進入塑性破壞階段。在這一過程當中，位移加載將會持續(xù)進行，而相應的反力則在出現(xiàn)小幅波動之后，呈現(xiàn)突然下降的趨勢。

2.循環(huán)加載曲線結果分析

圖3 BASE試件循環(huán)加載滯回曲線

對于構件而言，在對其進行循環(huán)加載時，最終得到的滯回曲線如圖3 所示。通過相關理論不難得出結構構件的屈服位移值為，屈服載荷為從圖中不難看出，構件在循環(huán)載荷作用下，可以完成3.5 Δy 位移載荷的計算工作。隨著位移載荷的持續(xù)增加，整條滯回曲線將會不再保持直線形狀而呈現(xiàn)出梭形的形狀。在對應力進行卸載時，構件的整體殘余應變不大。然而結構的整體剛度退化幅度非常明顯。這一情況充分表明該節(jié)點已經(jīng)開始進入了彈塑性工作區(qū)段。一旦節(jié)點的水平載荷到達構件的極限載荷之后，結構的整體變形程度將會變得十分嚴重。同時構件的剛度以及強度退化速度也不斷加快，這時滯回曲線將會整體呈現(xiàn)出梭形的結構。一般而言鋼筋混凝土結構在其相應的承載能力達到極限之后，將會呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢，位移的整體延續(xù)性系數(shù)將會小于2.0。這些結果充分表明，基本事件計算的最終結果符合工程實踐。

四、結語

第一，根據(jù)有限元分析的最終結果顯示，型鋼混凝土的整體框架結構在水平單調載荷作用之下，其具有的承載力相對來說比較大。而且在實際應用中其相應的延性指數(shù)接近或大于4.0，這一數(shù)值充分體現(xiàn)出其延性可以滿足工程實踐的需求。

第二，型鋼混凝土框架結構在水平循環(huán)整合作用下所得到的最終滯回曲線整體形狀較為飽滿，而且呈現(xiàn)出梭形的結構，并沒有明顯的壓縮現(xiàn)象，因此其耗能性能相對而言較為良好。

第三，型鋼混凝土框架結構在水平載荷的作用下隨著載荷數(shù)值的不斷加大，整體結構受力階段大致可以分為彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。