型鋼混凝土異形柱有限元建模研究

侯 衛(wèi)，郝 麗，周雪峰

(1．西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710032;2．中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院，陜西 西安 710032)

型鋼混凝土異形柱有限元建模研究

侯 衛(wèi)1，郝 麗2，周雪峰1

(1．西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710032;2．中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院，陜西 西安 710032)

采用ANSYS軟件對型鋼混凝土異形柱試件的受力性能進(jìn)行了非線性有限元數(shù)值分析，對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中混凝土和鋼材模型的定義、有限元建模、鋼筋單元生成及后處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了一種快速建立型鋼混凝土異形柱有限元模型的方法，以避免MESH過程中產(chǎn)生的單元不共用節(jié)點、劃分網(wǎng)格錯誤等所帶來的模型不收斂。模型應(yīng)用表明，型鋼、縱筋、箍筋以及混凝土單元應(yīng)力、應(yīng)變分布及發(fā)展過程數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合較好。

型鋼混凝土 異形柱 有限元分析

把柱的截面設(shè)計成“L”，“T”及“+ ”字形，使填充墻與柱肢同厚，形成異形柱體系，柱處不出現(xiàn)凸出的棱角，可顯著提高空間利用率。普通鋼筋混凝土異形柱雖然具有建筑功能以及美學(xué)的優(yōu)越性，但是由于其軸壓比限制低，抗震能力差，施工復(fù)雜，并且難以保證節(jié)點處施工質(zhì)量，很難在工程中推廣。型鋼混凝土由于在截面中配置了型鋼，可使構(gòu)件承載力、剛度顯著提高，能夠廣泛應(yīng)用于高層建筑，并且型鋼混凝土具有很好的延性和耗能能力，適于地震區(qū)應(yīng)用。

我國現(xiàn)有的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程尚不完善，計算理論還存在較多簡化。因此，為較準(zhǔn)確了解型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能，需要通過大量試驗和有限元數(shù)值模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。試驗雖然不可替代，但是由于其成本高，周期長，并不能大規(guī)模地進(jìn)行，因此，本文采用ANSYS對型鋼混凝土異形柱進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，并且與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證數(shù)值分析的可行性與準(zhǔn)確性。

目前型鋼混凝土的有限元分析還不完善，尤其是型鋼混凝土異形柱這種截面形式不規(guī)則、配鋼復(fù)雜、構(gòu)件單元類型多。大部分文獻(xiàn)僅給出了它的整體式實體建模，雖然也能夠模擬構(gòu)件，但是建模復(fù)雜、劃分網(wǎng)格復(fù)雜并且不容易收斂。本文提出一種快速建立分離式有限元模型的方法，經(jīng)驗證能夠較好地與試驗結(jié)果相吻合。

1 型鋼混凝土異形柱構(gòu)件參數(shù)

本文所采用的型鋼混凝土異形柱試件的加載方式及縱向尺寸見圖1，試件截面見圖2，截面各部分尺寸和含鋼率見表1。

圖1 柱試件加載示意(單位:mm)

圖2 L/T截面配T形鋼(單位:mm)

表1 型鋼混凝土異形柱的截面尺寸

混凝土強度等級采用C30;翼緣型鋼屈服強度為385 MPa，極限強度為565 MPa;腹板型鋼屈服強度為290 MPa，極限強度為435 MPa;縱筋和箍筋的強度分別為360和245 MPa。

2 ANSYS分析模型

型鋼混凝土異形柱建模時，由于截面形狀不規(guī)則，并且構(gòu)件中含有縱向鋼筋、箍筋、不同形式的型鋼、具有離散性質(zhì)的混凝土等多種材料，加載后容易出現(xiàn)不收斂，所以，在建模之前應(yīng)對單元類型、材料參數(shù)等進(jìn)行全面分析。

2.1 單元模型

2.1.1 混凝土單元

混凝土采用ANSYS單元庫自帶的八結(jié)點六面體單元即Solid65單元。每個節(jié)點有3個自由度，即x，y，z 3個方向的線位移。該實體模型可具有拉裂與壓碎的性能。在混凝土的應(yīng)用方面用單元的實體性能來模擬混凝土。

2.1.2 鋼筋單元

鋼筋單元在與混凝土組合后，無論是模型的網(wǎng)格劃分還是分析鋼筋內(nèi)力都需要考慮到兩者的相互作用。鋼筋與混凝土的組合建議采用分離式模型，位移協(xié)調(diào)。把鋼筋和混凝土作為兩個單元進(jìn)行建模，單元之間共用節(jié)點，以實現(xiàn)整體工作過程中自由度的耦合。兩者的剛度矩陣是分開來求解的?？紤]到鋼筋是一種細(xì)長材料，通常可以忽略其橫向抗剪強度，因此可以將鋼筋作為線單元處理，采用空間桿單元Link8建立鋼筋單元。其優(yōu)點是建模比較方便，可以任意布置鋼筋并可直觀獲得鋼筋的內(nèi)力。

2.1.3 型鋼和墊塊單元

型鋼和墊塊單元均采用三維實體結(jié)構(gòu)Solid45實體單元模擬。

2.2 材料特性

2.2.1 混凝土材料特性

1)本構(gòu)關(guān)系

通過對比分析，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用Saenz模型，即單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力增量與應(yīng)變增量之間的關(guān)系，如圖3所示。這一模型能很好地反映混凝土的σ－ε曲線，并且能較好地模擬混凝土的下降段。

圖3 混凝土本構(gòu)關(guān)系示意

2)破壞準(zhǔn)則

在ANSYS程序中，混凝土的破壞準(zhǔn)則采用Willam-Warnke 5參數(shù)破壞模型。

3)使用方法和輸入?yún)?shù)

張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)βt對計算結(jié)果影響較大，其值在0～1之間。對于型鋼混凝土異形柱建議取0.35～0.45。閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)βc一般取0.7～0.9。

2.2.2 鋼材材料特性

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中型鋼和鋼支座墊板的本構(gòu)關(guān)系采用多線性隨動強化模型(MKIN)，此模型為多線性的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，模擬隨動強化效應(yīng)，并且考慮包辛格效應(yīng)。此模型適用于服從Mises屈服準(zhǔn)則的小應(yīng)變分析，所以作為型鋼和鋼支座的材料模型比較真實。型鋼和墊塊采用單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，為多折線型，見圖4(a);縱筋和橫向箍筋采用雙線性隨動強化模型(BKIN)，單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為理想彈塑性模型，見圖4(b)。

圖4 材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

2.3 網(wǎng)格劃分及單元生成

首先直接創(chuàng)建節(jié)點，然后通過節(jié)點來創(chuàng)建單元，從平面到空間，直接形成有限元模型的節(jié)點和單元。型鋼混凝土異形柱中，由于單元類型較多，并且截面形式復(fù)雜，因此雖然幾何建模容易，但是對幾何體劃分單元時，不容易劃分均勻，從而導(dǎo)致結(jié)果不真實。所以本文采用這種直接方法建立有限元模型，能夠更好地控制網(wǎng)格劃分大小和數(shù)目，以得到理想的網(wǎng)格。

直接法在建立單元之前，必須定義并向程序聲明所要創(chuàng)建的單元屬性，包括單元類型、實常數(shù)、材料特性、單元坐標(biāo)系等。

3 計算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬計算時根據(jù)試驗建立完整模型，施加位移約束，設(shè)定計算控制參數(shù)和計算步驟后按位移進(jìn)行加載。型鋼混凝土異形柱模型計算結(jié)果均收斂良好，數(shù)值模擬結(jié)果見表2。

表2 型鋼混凝土異形柱模擬計算結(jié)果

3.2 型鋼應(yīng)力和應(yīng)變

圖5為型鋼混凝土異形柱型鋼最大主應(yīng)力云圖。從圖中可看出，施加位移處型鋼翼緣應(yīng)力增大，并逐漸屈服，然后受壓區(qū)型鋼翼緣下部逐漸屈服，但中間腹板并未屈服。試件的破壞是由受壓區(qū)和受拉區(qū)混凝土破壞控制。當(dāng)達(dá)到極限荷載，相應(yīng)的受拉區(qū)主筋、型鋼翼緣和受壓區(qū)主筋、型鋼翼緣應(yīng)力均下降到一定水平。

圖5 型鋼最大主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

3.3 混凝土應(yīng)力分布

圖6為加載開始階段和結(jié)束階段型鋼混凝土異形柱跨中截面混凝土應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，從最開始加載，柱子表現(xiàn)出偏心受壓的受力狀態(tài)，翼緣受拉，腹板受壓。由于腹板面積較小，即受壓面積小，腹板混凝土漸趨于屈服進(jìn)而達(dá)到極限，截面中和軸向翼。前緣靠近，使截面受壓面積逐漸增大。

圖6 混凝土主應(yīng)力分布變化云圖(單位:MPa)

4 結(jié)語

采用本文的有限元模型和建模方法，能夠較快地建立型鋼混凝土異形柱模型。通過對型鋼混凝土異形柱中材料屬性、本構(gòu)關(guān)系和單元類型的合理選擇，型鋼、縱筋、箍筋以及混凝土單元應(yīng)力、應(yīng)變分布及發(fā)展過程數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合較好。

［1］趙鴻鐵．鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］．北京:科學(xué)出版社，2001．

［2］楊勇，郭子雄，聶建國，等．型鋼混凝土結(jié)構(gòu) ANSYS數(shù)值模擬技術(shù)研究［D］．西安:西安建筑科技大學(xué)，2006．

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TU502+．6;TU528．571

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．51

1003-1995(2013)04-0166-03

2012-12-20;

2013-01-16

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2010K07-073);西安工業(yè)大學(xué)校長基金(XAGDXJJ-06026)

侯衛(wèi)(1975— )，男，陜西西安人，講師，碩士。

(責(zé)任審編 李付軍)