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。
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。
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。
2.1.1 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。
2.2.1 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
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。
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
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)
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)
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。
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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)