寬扁轉(zhuǎn)換梁節(jié)點有限元分析

何承高 HE Cheng-gao；張宇博 ZHANG Yu-bo

（①中新旭德新能源（蘇州）有限公司，蘇州 215000；②廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所（普通合伙），廣州 510030；③廣州城建開發(fā)設(shè)計院有限公司，廣州 510630）

0 引言

目前，建筑市場趨于多樣化，底層商業(yè)加上層辦公或住宅的建筑功能形式越來越得到更多的青睞。但這種建筑功能形式也將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)中較多豎向構(gòu)件不能落地，而結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)相應(yīng)的建筑功能，必然會造成豎向構(gòu)件的轉(zhuǎn)換。對于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜節(jié)點的有效設(shè)計是結(jié)構(gòu)可靠性的重要保障之一[1]。本文以廣州某框支剪力墻結(jié)構(gòu)為工程背景，采用MIDAS FEA NX有限元軟件對其寬扁轉(zhuǎn)換梁柱關(guān)鍵節(jié)點進行計算分析，以確定該節(jié)點滿足結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能目標(biāo)要求[2]。

1 工程概述

本工程結(jié)構(gòu)高度119.25m，為一棟B級高度的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位于第13層，屬于高位轉(zhuǎn)換。本次復(fù)雜轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點布置如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換層局部平面布置圖

首先，采用YJK軟件進行大震等效彈性分析，提取該節(jié)點中各桿件的內(nèi)力；其次，根據(jù)圖1中各構(gòu)件的尺寸，利用MIDAS FEA NX建立節(jié)點有限元模型；然后，對有限元模型進行網(wǎng)格劃分，并在模型中施加上述桿件內(nèi)力以及邊界條件；最后，設(shè)置分析工況進行求解計算，并根據(jù)分析結(jié)果判斷節(jié)點是否滿足罕遇地震下的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)要求（罕遇地震下抗彎、抗剪不屈服）[3]。

2 節(jié)點設(shè)計及建模

根據(jù)圖1及表1所示截面尺寸，建立節(jié)點有限元分析模型如圖2所示。節(jié)點中各構(gòu)件的邊界條件及荷載分別詳見表1和表2。值得注意的是：第一，由于建筑凈高的限制，節(jié)點位置轉(zhuǎn)換梁高度設(shè)置為1000mm，轉(zhuǎn)換梁采用寬扁梁；第二，有限元模型未建立樓板，不考慮樓板對轉(zhuǎn)換梁的有利約束作用；第三，模型中各構(gòu)件內(nèi)部鋼筋和型鋼按YJK小震及大震計算模型包絡(luò)結(jié)果進行配置，荷載按YJK大震不屈服模型下的最不利內(nèi)力工況（1.0D+0.5L-1.0Ex）進行取值。

表1 截面尺寸及邊界條件

表2 荷載取值

圖2 轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點有限元分析模型

此外，本模型中，柱、墻砼強度等級為C60，梁砼強度等級為C45，型鋼采用Q390GJ，除框支柱縱筋采用HRB500外，其余鋼筋均采用HRB400。各材料具體參數(shù)參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）[4]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[5]。其中，鋼筋和型鋼本構(gòu)采用雙折線模型，混凝土本構(gòu)采用彌散裂縫模型[6]。

3 節(jié)點分析結(jié)果

3.1 計算結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，轉(zhuǎn)換梁縱筋最大應(yīng)力約為357MPa；框支柱縱筋最大應(yīng)力約為249MPa。二者均處于彈性狀態(tài)，滿足抗彎不屈服的性能目標(biāo)要求。

圖3 展示了寬扁轉(zhuǎn)換梁及框支柱的箍筋應(yīng)力云圖。從圖中可知，轉(zhuǎn)換梁箍筋最大應(yīng)力為400MPa；框支柱箍筋最大應(yīng)力約為381MPa。分析結(jié)果表明，框支柱箍筋滿足抗剪不屈服的性能目標(biāo)要求；而轉(zhuǎn)換梁中部分箍筋已屈服，不滿足性能目標(biāo)要求，且換梁中屈服的箍筋出現(xiàn)在次梁（桿件2-1）與寬扁轉(zhuǎn)換梁的搭接位置。

圖3 轉(zhuǎn)換梁、框支柱箍筋應(yīng)力云圖

圖4展示了寬扁轉(zhuǎn)換梁和框支柱內(nèi)置型鋼的Von Mises應(yīng)力云圖，型鋼最大應(yīng)力約為235MPa，小于Q390GJ的屈服強度，滿足性能目標(biāo)要求。

圖4 型鋼Von Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)上述分析結(jié)果，可知：

①寬扁轉(zhuǎn)換梁和框支柱內(nèi)的縱筋、型鋼均能夠滿足罕遇地震下的性能目標(biāo)要求；

②框支柱內(nèi)箍筋應(yīng)力小于HRB400鋼筋屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值，滿足抗剪不屈服性能目標(biāo)要求；寬扁轉(zhuǎn)換梁在次梁（桿件2-1）搭接位置的部分箍筋應(yīng)力達到鋼筋屈服強度，即節(jié)點存在局部位置不滿足抗剪不屈服性能目標(biāo)要求。

考慮到次梁與寬扁轉(zhuǎn)換梁搭接位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)在該搭接區(qū)域需采取加強措施。本文考慮在次梁（桿件2-1）端部設(shè)置型鋼，以實現(xiàn)次梁與寬扁轉(zhuǎn)換梁間荷載的有效傳遞。

3.2 加強模型

本文擬在次梁端部設(shè)置型鋼（H500×200×18×18），型鋼自轉(zhuǎn)換梁邊延伸入次梁內(nèi)500mm。按此布置建立加強模型，得到計算結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖6 加強模型中型鋼Von Mises應(yīng)力云圖

從圖中可以看出：第一，寬扁轉(zhuǎn)換梁內(nèi)的箍筋應(yīng)力得到顯著降低，最大應(yīng)力約為248MPa，遠小于HRB400鋼筋強度設(shè)計值，處于彈性狀態(tài)；第二，寬扁轉(zhuǎn)換梁內(nèi)的型鋼應(yīng)力仍然較小，而次梁（桿件2-1）內(nèi)型鋼應(yīng)力較大，最大應(yīng)力約為350MPa，小于Q390GJ的屈服強度，滿足性能目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文以廣州某B級高度框支剪力墻結(jié)構(gòu)為例，截取其中寬扁轉(zhuǎn)換梁復(fù)雜關(guān)鍵節(jié)點進行有限元分析，得出如下結(jié)論：

①次梁未設(shè)型鋼時，除寬扁轉(zhuǎn)換梁在與次梁搭接位置箍筋應(yīng)力較大，不滿足抗剪不屈服的性能目標(biāo)要求外，其余位置鋼筋、型鋼均能夠滿足抗彎抗剪不屈服的性能要求；而次梁補充型鋼后，寬扁轉(zhuǎn)換梁內(nèi)箍筋均處于彈性狀態(tài)，新增型鋼處于不屈服狀態(tài)，滿足罕遇地震下的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)要求。

②對于此類寬扁形轉(zhuǎn)換梁，當(dāng)次梁內(nèi)力較大時，主次梁搭接區(qū)域會存在比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，僅靠鋼筋很難將次梁的荷載均勻地傳遞到寬扁梁上，建議在次梁端部設(shè)置型鋼以滿足結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)要求。