水平地震作用下鋼筋混凝土寬扁梁框架結構空間分析模型合理性探討

1、2007年9月第4卷第3期深圳土木與建筑VOL4No3SEP2007水平地震作用下鋼筋混凝土寬扁梁框架結構空間分析模型合理性探討黃志軍(香港華藝設計顧問[深圳]有限公司)【摘要】應用鋼筋混凝土彈塑性理論和鋼筋混凝土非線性有限元分析方法，借助ANSYS軟件，對比研究了不同寬扁梁柱節(jié)點在不同水平荷載條件下的作用反應。分析表明：進行寬扁梁框架結構空間分析時，可以考慮各方向的水平地震作用主要由該方向的抗側力構件承擔而不考慮另一方向抗側力構件的影

2、響。【關鍵詞】寬扁梁框架結構彈塑性節(jié)點0、前言寬扁梁框架結構與普通框架結構的最大區(qū)別主要在于梁柱節(jié)點區(qū)，由于正交雙向寬扁梁于梁柱節(jié)點處相交并局部重疊，使得節(jié)點區(qū)受力復雜。普通鋼筋混凝土框架結構抗震設計時，其地震作用的確定一般按這樣的原則考慮：一般情況下，應在結構的兩個主軸方向分別考慮水平地震作用并進行抗震驗算，各方向的水平地震作用主要由該方向的抗側力構件承擔而不考慮另一方向抗側力構件的影響。對于寬扁梁框架結構，進行抗震設計時，是否也遵循

3、上述原則呢這是擺在設計人員面前的客觀問題。為此，本文利用ANSYS軟件，創(chuàng)建合理的力學模型，對梁柱節(jié)點實際工作狀態(tài)進行仿真模擬，以期對該問題作深入的探討。1、計算模型本文的研究工作是文華商住樓寬扁梁節(jié)點試驗研究課題的延伸，因此，本文計算模型的物理參數完全基于該課題的試件設計，其中選用節(jié)點2JD為研究對象，按寬扁梁設置及加載情況分為2JDl1、2JD2l、2JD22三種，見圖11。(代號說明：2JDmn，m——取l表示單向寬扁梁柱節(jié)點，取

4、2表示雙向寬扁梁柱節(jié)點；n——取1表示單向低周反復加載作用，取2表示雙向低周反復加載作用)ANSYS分析時，鋼筋混凝土有限元模型采用分離式，把鋼筋和混凝土作為不同的單元來處理，見圖12，其中鋼筋選用PIPE20單元，混凝土選用SOLID65單元，認為兩者之間粘結良好。這樣選擇的好處有二，一是真實地模擬了實際構件，二是容易得到鋼筋和混凝土各自的應力值，便于數據統計分析。混凝土裂縫模型采用分布裂縫模型，假定開裂混凝土還保持某種連續(xù)，按正交各

5、向異性材料處理，這樣有利于計算過程的順利進行以及裂縫開展過程的觀察和描述。混凝土本構關系選用彈塑性本黃志軍，男，香港華藝設計顧問(深圳)有限公司地址：深圳市中航苑航都大廈14樓郵編：51803130構關系，破壞準則選用w訂]am—Warnke五參數強度模型。計算模型單元劃分：見圖11示，在距離節(jié)點核心區(qū)一定范圍內細分單元，單元尺寸為005m005m005m，其它區(qū)域單元尺寸為為005m005m01Om。加載制度：同文獻l要求，本文計算模

6、型的加載制度是低周反復水平荷載作用在柱自由端，同時在柱自由端作用一個大小相等的豎向荷載，荷載按每一級6000N遞增，時間周期為1秒，直至梁主筋拉斷失效。需要注意的是，為避免柱自由端出現應力集中，柱自由端外荷載必須均勻分布在單元結點上。2、裂縫描述通過比較雙向低周反復荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點裂縫開展過程(2JD22)與單向低周反復荷載作用圖11計算模型截面尺寸和混凝土及鋼筋單元劃分示意(a)AN8Y8力學模型鹵藍維普資訊2007年9月第4卷

7、第3期深圳土木與建筑VOL4No3SEP2007寬扁梁互相約束作用明顯，節(jié)點核心區(qū)的抗力強度也明顯得到了一定程度的提高，梁端裂縫以及節(jié)點核心區(qū)裂縫開展相對較慢，這種情況類似于單向低周反復荷載作用下雙向寬扁梁柱節(jié)點，但弱于后者；當雙向寬扁梁梁端裂縫沿梁寬橫向形成通長裂縫之后，裂縫開展的規(guī)律就接近于單向低周反復荷載作用下單向寬扁梁柱節(jié)點，雙向寬扁梁明顯各自獨立參與工作，裂縫沿梁跨縱向迅速開展，相應地梁端鋼筋拉應力增長極快，當柱自由端水平荷載

8、達到72000N時，粱端內鋼筋就達到了屈服應力水平狀態(tài)。(3)在雙向低周反復荷載作用下，柱端的內力作用效應顯著，柱端角部裂縫過早出現，雖然隨著寬扁梁以及節(jié)點核心區(qū)的裂縫不斷深化、剛度相應不斷減低，致使柱端裂縫發(fā)展得較慢，但是柱端角部鋼筋受拉應力始終較高，裂縫有沿柱跨縱向發(fā)展的趨勢。3、梁端鋼筋應力分析比較圖31是計算節(jié)點2JD11、2JD21和2JD22分別在截面卜1的鋼筋應力數據比較：32b)各節(jié)點截面1內鋼筋應力比較c)各節(jié)點截面1

9、鋼筋應力和比較結果分析：圖3(1)從圖31(a)～(d)可以看出，雙向低周反復荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點2JD22比單向低周反復荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點2JD11和2JD21提前出現裂縫，鋼筋過早進入塑性階段，而且還可以知道，2JD22梁端截面卜1內外鋼筋應力水平初始受荷階段接近于2JD21情況，隨著柱自由端水平荷載的遞增，漸漸往2JD11情況靠攏，當柱自由端水平荷載=72000N時，2JD22和2JD11各自梁端截面卜1的內鋼筋應力同時達到

10、屈服強度，而且經過一定程度的屈服平臺后，便進入強化階段。這與裂縫開展過程相吻合。(2)從圖31(a)～(d)也可以看出，在整個加載制度的大部分時間里，雙向低周反復荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點2JD22內力作用對鋼筋的效應跟單向低周反復荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點2JD11內力作用對鋼筋的效應十分相似，這就說明了隨著雙向寬扁梁各自梁端裂縫不斷深化，它們對節(jié)點核心區(qū)的約束也不斷減弱，雙向寬扁梁明顯各自獨立參與工作，各自獨立承擔各自方向的水平荷載。(3)

11、雖然節(jié)點2JD22內力作用效應跟節(jié)點2JD11情況很相似，裂縫出現減弱了雙向寬扁梁之間的互相有利影響，從圖31(b)也說明了兩者內核心區(qū)鋼筋的應力水平幾乎一樣，但從圖31(a)可以看出，對于外核心區(qū)鋼筋應力值前者明顯低于后者，也就是說，雙向寬扁梁之間的互相有利影響集中體現在外核心區(qū)域。(4)從圖31(d)各節(jié)點截面1內外鋼筋應力比比較可以看出，節(jié)點2JD22的核心區(qū)剛度介于節(jié)點2JD11和2JD21之間。圖32是計算節(jié)點2JD11、2J