水平地震作用下鋼筋混凝土寬扁梁框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)空間分析模型合理性探討黃志軍(香港華藝設(shè)計(jì)顧問[深圳]有限公司)【摘要】應(yīng)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(diǎn)在不同水平荷載條件下的作用反應(yīng)。分析表明：進(jìn)行寬扁梁框架結(jié)構(gòu)空間分析時(shí)，可以考慮各方向的水平地震作用主要由該方向的抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)而不考慮另一方向抗側(cè)力構(gòu)件的影

2、響?！娟P(guān)鍵詞】寬扁梁框架結(jié)構(gòu)彈塑性節(jié)點(diǎn)0、前言寬扁梁框架結(jié)構(gòu)與普通框架結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別主要在于梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，由于正交雙向?qū)挶饬河诹褐?jié)點(diǎn)處相交并局部重疊，使得節(jié)點(diǎn)區(qū)受力復(fù)雜。普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其地震作用的確定一般按這樣的原則考慮：一般情況下，應(yīng)在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別考慮水平地震作用并進(jìn)行抗震驗(yàn)算，各方向的水平地震作用主要由該方向的抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)而不考慮另一方向抗側(cè)力構(gòu)件的影響。對于寬扁梁框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，是否也遵循

3、上述原則呢這是擺在設(shè)計(jì)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(xué)模型，對梁柱節(jié)點(diǎn)實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，以期對該問題作深入的探討。1、計(jì)算模型本文的研究工作是文華商住樓寬扁梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究課題的延伸，因此，本文計(jì)算模型的物理參數(shù)完全基于該課題的試件設(shè)計(jì)，其中選用節(jié)點(diǎn)2JD為研究對象，按寬扁梁設(shè)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?qū)挶饬褐?jié)點(diǎn)，取

4、2表示雙向?qū)挶饬褐?jié)點(diǎn)；n——取1表示單向低周反復(fù)加載作用，取2表示雙向低周反復(fù)加載作用)ANSYS分析時(shí)，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(rèn)為兩者之間粘結(jié)良好。這樣選擇的好處有二，一是真實(shí)地模擬了實(shí)際構(gòu)件，二是容易得到鋼筋和混凝土各自的應(yīng)力值，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)算過程的順利進(jìn)行以及裂縫開展過程的觀察和描述。混凝土本構(gòu)關(guān)系選用彈塑性本黃志軍，男，香港華藝設(shè)計(jì)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(gòu)關(guān)系，破壞準(zhǔn)則選用w訂]am—Warnke五參數(shù)強(qiáng)度模型。計(jì)算模型單元?jiǎng)澐郑阂妶D11示，在距離節(jié)點(diǎn)核心區(qū)一定范圍內(nèi)細(xì)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(xiàn)l要求，本文計(jì)算模

6、型的加載制度是低周反復(fù)水平荷載作用在柱自由端，同時(shí)在柱自由端作用一個(gè)大小相等的豎向荷載，荷載按每一級6000N遞增，時(shí)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(xiàn)應(yīng)力集中，柱自由端外荷載必須均勻分布在單元結(jié)點(diǎn)上。2、裂縫描述通過比較雙向低周反復(fù)荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點(diǎn)裂縫開展過程(2JD22)與單向低周反復(fù)荷載作用圖11計(jì)算模型截面尺寸和混凝土及鋼筋單元?jiǎng)澐质疽?a)AN8Y8力學(xué)模型鹵藍(lán)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(diǎn)核心區(qū)的抗力強(qiáng)度也明顯得到了一定程度的提高，梁端裂縫以及節(jié)點(diǎn)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(fù)荷載作用下雙向?qū)挶饬褐?jié)點(diǎn)，但弱于后者；當(dāng)雙向?qū)挶饬毫憾肆芽p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(fù)荷載作用下單向?qū)挶饬褐?jié)點(diǎn)，雙向?qū)挶饬好黠@各自獨(dú)立參與工作，裂縫沿梁跨縱向迅速開展，相應(yīng)地梁端鋼筋拉應(yīng)力增長極快，當(dāng)柱自由端水平荷載

8、達(dá)到72000N時(shí)，粱端內(nèi)鋼筋就達(dá)到了屈服應(yīng)力水平狀態(tài)。(3)在雙向低周反復(fù)荷載作用下，柱端的內(nèi)力作用效應(yīng)顯著，柱端角部裂縫過早出現(xiàn)，雖然隨著寬扁梁以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的裂縫不斷深化、剛度相應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分析比較圖31是計(jì)算節(jié)點(diǎn)2JD11、2JD21和2JD22分別在截面卜1的鋼筋應(yīng)力數(shù)據(jù)比較：32b)各節(jié)點(diǎn)截面1內(nèi)鋼筋應(yīng)力比較c)各節(jié)點(diǎn)截面1

9、鋼筋應(yīng)力和比較結(jié)果分析：圖3(1)從圖31(a)～(d)可以看出，雙向低周反復(fù)荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點(diǎn)2JD22比單向低周反復(fù)荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點(diǎn)2JD11和2JD21提前出現(xiàn)裂縫，鋼筋過早進(jìn)入塑性階段，而且還可以知道，2JD22梁端截面卜1內(nèi)外鋼筋應(yīng)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(dāng)柱自由端水平荷載=72000N時(shí)，2JD22和2JD11各自梁端截面卜1的內(nèi)鋼筋應(yīng)力同時(shí)達(dá)到

10、屈服強(qiáng)度，而且經(jīng)過一定程度的屈服平臺后，便進(jìn)入強(qiáng)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(gè)加載制度的大部分時(shí)間里，雙向低周反復(fù)荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點(diǎn)2JD22內(nèi)力作用對鋼筋的效應(yīng)跟單向低周反復(fù)荷載作用下寬扁梁柱節(jié)點(diǎn)2JD11內(nèi)力作用對鋼筋的效應(yīng)十分相似，這就說明了隨著雙向?qū)挶饬焊髯粤憾肆芽p不斷深化，它們對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的約束也不斷減弱，雙向?qū)挶饬好黠@各自獨(dú)立參與工作，各自獨(dú)立承擔(dān)各自方向的水平荷載。(3)

11、雖然節(jié)點(diǎn)2JD22內(nèi)力作用效應(yīng)跟節(jié)點(diǎn)2JD11情況很相似，裂縫出現(xiàn)減弱了雙向?qū)挶饬褐g的互相有利影響，從圖31(b)也說明了兩者內(nèi)核心區(qū)鋼筋的應(yīng)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(yīng)力值前者明顯低于后者，也就是說，雙向?qū)挶饬褐g的互相有利影響集中體現(xiàn)在外核心區(qū)域。(4)從圖31(d)各節(jié)點(diǎn)截面1內(nèi)外鋼筋應(yīng)力比比較可以看出，節(jié)點(diǎn)2JD22的核心區(qū)剛度介于節(jié)點(diǎn)2JD11和2JD21之間。圖32是計(jì)算節(jié)點(diǎn)2JD11、2J