框架梁与剪力墙直交节点弹性有限元分析

1、框架梁与剪力墙直交节点弹性有限元分析关键词:有限元;弹性模量;墙-梁直交节点;变形协调 1 引言 随着我国经济水平的快速发展和结构技术的提高,全国各地涌现出大量的高层建筑,钢筋混凝土框架-剪力墙结构和框架-核心筒结构在高层建筑中得到了广泛应用。因建筑使用功能和结构布置的要求,两种结构体系均会出现框架梁垂直剪力墙平面支承于墙上而形成梁-墙平面外连接节点的情况,称之为框架梁-剪力墙直交节点。结合工程实际,文章对框架梁-剪力墙直交节点设计了相应的试验方案,并用ABAQUS对其进行弹性有限元分析。 2 ABAQUS简介 ABAQUS是功能强大的有限元分析软件,它可以分析复杂的固体力学和结构力学系统,模

2、拟非常强大的复杂模型,处理高度的非线性问题。它对每个部件定义材料参数,划分网格,然后将它们组装成完整模型。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以完成系统级的分析和研究。用户只需提供结构的几何形状、材料特性、边界条件和荷载工况等工程数据。由于ABAQUS 强大的分析能力和模拟复杂系统的可靠性,它在各国的工业和研究中得到广泛应用,在大量的高科技产品开发中发挥着巨大的作用。 3 试验设计 3.1 试件几何尺寸 弹性分析以一个基本模型为基准,通过改变参数,对比计算结果与基本模型结果,获得各参数影响规律。基本模型剪力墙尺寸(长高墙厚)为1500mm1500mm150mm,梁截面

3、尺寸为200mm400mm,梁长1350mm。试件QL-1的几何尺寸图如图1所示。 墙-梁平面外连接节点由梁和墙组成,其受力性能与梁和墙关系密切,根据已有研究资料和试验结果,影响墙-梁节点截面力分布和变形性能的可能主要因素为节点边界条件、墙高H、墙长L、墙厚t、梁高h、梁宽b、抗弯条带刚度、抗扭条带刚度以及轴压比等。在实际工程中,墙的轴压比通常不大,因此本试验采用一较低轴压比。各试件采用相同的轴力,其实际试验轴压比均为0.1左右。 3.2 试验加载装置 试验加载装置图如图2所示。剪力墙下部地梁用钢压梁与地面固定,剪力墙上部用1500千牛油压千斤顶施加轴压比为0.1的竖向荷载,千斤顶下面设有高度

4、为450mm的较大刚度的工字型钢梁,使竖向荷载均匀地分配到剪力墙的上端。试件悬挑梁端用250千牛、行程为500mm的拉压千斤顶施加静力低周反复荷载,其作用点距离剪力墙的边缘距离为1.2m。图2给出了试件QL-1实际加载装置图,其他试件装置图与之相同。 4 ABAQUS弹性有限元分析 4.1 模型的建立 模型的建立是在大型通用有限元分析软件ABAQUS的前处理环境中进行的。根据需要,我们对模型进行了相应的简化。框架梁3个方向的尺寸较其他2个方向的尺寸都不是很小,将其设置为三维实体单元(Solid),剪力墙厚度方向的尺寸比其他2个方向的小很多,将其设置为壳单元(Shell)。基本模型剪力墙尺寸(长

5、高墙厚)为1500mm1500mm150mm,梁截面尺寸为400mm200mm(高宽),梁长为1000mm。 试件QL-1的材料为钢筋混凝土,其本身具有非线性的特性,为将其简化为弹性分析,因此将钢筋混凝土简化为用弹性材料模型,其弹性模量为E=30000MPa,泊松比为?滋=0.2,密度为?籽=2500kg/m3。 框架梁与剪力墙的几何模型分别建立后,在ABAQUS中的Assembly模块下进行组装,梁与墙的相对位置应与试件QL-1的一致。组装好后的模型,框架梁与剪力墙并没有发生任何相互作用,应对梁与墙连接处采用绑定(Tie)约束,保证在整个模拟过程中,与梁连接的部分墙受三维实体梁的约束而与梁保

6、持相同的自由度,也使得节点处的变形协调。 为了方便获得墙的截面剪力、弯矩等结果,直观显示截面力分布规律,节点模型中墙采用壳体单元(SC8R),简化了采用实体单元时截面力需要单元应力沿墙厚进行积分的过程,梁则采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)。 为模拟框架梁-剪力墙直交节点试验的边界约束,模型中的边界条件为墙上、下皆为铰接,使其固定住。试件加载的位置在框架梁端部,因此我们建模时在梁端部设置一个参考点RP-1,使得该点与梁的横截面端部建立耦合约束(Coupling)。在参考点点处施加向下荷载100kN,该点将带动框架梁梁端面一起向下运动,达到施力的目的。 4.2 分析结果 将建立好

7、的模型带入ABAQUS中的Job模块中进行分析,其分析作业的类型(Job type)为完全分析(Full analysis),其分析后模型的Mises应力云图如图3所示。 由此可知: a. 梁由于在自由端受到向下的拉力,有向下挠曲的现象,其最大位移为-1.38126E 00mm,剪力墙受到梁的牵动,由于在节点处与框架梁变形协调,因此在中心处有向梁方向鼓曲的趋势。b. 剪力墙所受到的应力在梁-墙节点处最大,最大值为1.481E 01Mpa,并由节点处向四周呈均匀扩散的趋势,框架梁节点处边缘所受到的应力最大(在梁节点的顶部纤维和底部纤维处),最大值为1.481E 01Mpa,并且一方面向着梁自由端

8、扩散,另一方面向截面中和轴的方向扩散,在梁截面中和轴位置,受到的应力为0,梁的应力的分布与悬臂梁的应力分布规律一致。5 结语 5.1 本文以高层建筑中的框架梁-剪力墙直交节点为研究对象,建立了简化的有限元模型,并对其进行了弹性阶段的有限元分析。 5.2 由分析可知,框架梁在节点处的应力最大,但厚度不大的剪力墙并没有相应的空间留给梁钢筋有足够的锚固长度,使得节点的承载力不足,解决的办法有在节点位置设置暗柱,进行节点的加固,还有在墙上节点位置设置横向明梁,以增强框架梁的锚固长度。 5.3 该模型只是进行了简单的弹性分析,并没有考虑钢筋混凝土材料的非线性性质,而剪力墙简化为壳单元,并没有按照实际的尺寸建模,其分析比较粗略,更精确的建模分析有待后续的研究。 参考文献 4朱祖敬. 钢筋混凝土梁-薄墙正交节点试验研究. 重庆大学硕士论文