ABAQUS子結(jié)構(gòu)法在超限高層復(fù)雜節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析中的應(yīng)用

覃建華

（深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 深圳 518031）

前言

ABAQ US的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，其強(qiáng)大的功能得到廣泛認(rèn)可，被認(rèn)為是功能最強(qiáng)大的有限元分析軟件之一，在建筑行業(yè)發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)是較為明顯的。ABAQUS的分析內(nèi)容涉及到多個(gè)學(xué)科和多個(gè)專業(yè)，主要包括復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，其顯著特征是能夠?qū)嫶髲?fù)雜的問題進(jìn)行科學(xué)分析。

子結(jié)構(gòu)方法的應(yīng)用已將越來(lái)越廣泛，這一方法主要是將模型的局部作為一個(gè)整體來(lái)處理，這也是其特殊之處。在進(jìn)行處理的過(guò)程中其內(nèi)部自由度獲得更高程度的縮聚，因此只保留了與外部有連接關(guān)系的自由度，這便從很大程度上減小了剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的規(guī)模和計(jì)算量。也是因?yàn)槠溥@些優(yōu)點(diǎn)，ABAQUS子結(jié)構(gòu)法在超限高層復(fù)雜節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析中的應(yīng)用受到越來(lái)越多的重視和認(rèn)可。子結(jié)構(gòu)中總位移與總應(yīng)力可以通過(guò)等效位移和等效應(yīng)力、子結(jié)構(gòu)余留自由度與位移或應(yīng)力的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系等幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行表示。

1 超限高層復(fù)雜節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)主要是鋼骨以及混凝土構(gòu)成的，通常是在鋼骨周圍配置鋼筋，并澆筑混凝土的結(jié)構(gòu)。按照實(shí)際需要不同，鋼骨分為實(shí)腹式和空腹式，目前實(shí)腹式使用較多。實(shí)腹式鋼骨混凝土構(gòu)件的顯著特征是具有較好的抗震性能，而空腹式鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能則與普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較為相似。為了更好的保證建筑物的抗震性性能，目前采用實(shí)腹式鋼骨混凝土的結(jié)構(gòu)較多。

ABAQUS子結(jié)構(gòu)分析模型的建立也是多種多樣的，可以在實(shí)際工作中進(jìn)行合適的選擇。通常情況下，建立的結(jié)構(gòu)模型主要包括實(shí)體單元、殼單元、線單元等幾種單元類型。復(fù)雜節(jié)點(diǎn)精細(xì)化分析模型能夠更好地提高分析的效果與質(zhì)量。通常情況下，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)精細(xì)化模型的所采用的邊界條件常常是位移邊界條件，分析結(jié)果的多樣性減小了分析工作的難度。

2 ABAQUS子結(jié)構(gòu)法在超限高層復(fù)雜節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析中的應(yīng)用

子結(jié)構(gòu)方法的主要特征是將模型的局部作為一個(gè)整體來(lái)處理，以此達(dá)到縮聚其內(nèi)部自由度的目的。內(nèi)部自由度經(jīng)過(guò)縮聚之后便只保留了外部有連接關(guān)系的自由度，在這一作用下剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的規(guī)模和計(jì)算量都會(huì)有一定程度的減小。子結(jié)構(gòu)中總位移或總應(yīng)力通常情況下應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)的分析，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)一般都表示成子有限元分析的結(jié)構(gòu)方法，這一方法是嶄新的，正在運(yùn)用中表現(xiàn)出強(qiáng)大的功能。這一分析方法不但可以在有限的計(jì)算資源上分析復(fù)雜的工程，大大提高計(jì)算和分析的效率以及準(zhǔn)確度，也可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部進(jìn)行精細(xì)分析。

鋼骨混凝土構(gòu)件的內(nèi)部鋼骨與外包混凝土形成一個(gè)緊密的整體，這兩部分共同承受來(lái)自外界的壓力[1]。但是，值得引起我們注意的是這兩個(gè)部位的受力整體性能并不是這兩種結(jié)構(gòu)受力的簡(jiǎn)單疊加。實(shí)際情況是鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能優(yōu)于兩種結(jié)構(gòu)受力性能的簡(jiǎn)單疊加。與傳統(tǒng)的鋼筋結(jié)構(gòu)相比，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的外包混凝土是承受壓力的主要部分，其所起的主要作用是防止鋼構(gòu)件的局部屈曲，并從很大程度上提高了鋼構(gòu)件的整體剛度。在鋼構(gòu)件整體剛度大大提高的情況下，鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能也得到更大程度的發(fā)揮，在這種結(jié)構(gòu)搭配下鋼材的強(qiáng)度得到更加充分的發(fā)揮。

另外，外包混凝土從更大程度上提高了結(jié)構(gòu)的耐火性和耐壓性。與RC結(jié)構(gòu)相比，SRC結(jié)構(gòu)中多了鋼骨的配置[2]，這是其承載能力的大大提高的關(guān)鍵所在。實(shí)踐證明，采用實(shí)腹鋼骨的SRC構(gòu)件相對(duì)于采用空腹剛筋骨的SRC構(gòu)件的承載力更高，并大大改善了受剪破壞時(shí)的脆性過(guò)高易碎裂的性質(zhì)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外，我們還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到SRC結(jié)構(gòu)的配筋構(gòu)造較為復(fù)雜，其設(shè)計(jì)與施工都應(yīng)該引起高度重視。尤其是在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)該科學(xué)統(tǒng)籌，全面考慮細(xì)節(jié)問題，避免給施工留下隱患。伴隨著新材料的不斷出現(xiàn)以及新技術(shù)的不斷應(yīng)用，型鋼混凝土與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論的成熟和完善，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，其優(yōu)勢(shì)也得到越來(lái)越多的認(rèn)可，特別是在高層建筑中的發(fā)展很快。同時(shí)，我們還應(yīng)該清醒的認(rèn)識(shí)到這一結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造復(fù)雜的特點(diǎn)，并且受到了各種復(fù)雜因素的影響，其框架節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)理論和實(shí)際應(yīng)用中存在諸多限制問題，成為型鋼與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)快速推廣應(yīng)用的主要障礙。

目前，節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析方法主要有理論分析和有限元模擬兩種方法[3]。但是，有限元分析法正在逐漸成為主流，這主要是由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式越來(lái)越復(fù)雜引起的。而ABAQUS所提供的子結(jié)構(gòu)法克服了節(jié)點(diǎn)構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜的難題，它通過(guò)縮減結(jié)構(gòu)內(nèi)部自由度，只保留局部自由度，提取整體結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)周圍的邊界條件，保證節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析的正確性和可靠性[2]。

另外，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，搞清楚該復(fù)雜節(jié)點(diǎn)在大震作用下的受力性能，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，為超限高層結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考是一個(gè)極為重要的問題。型鋼混凝土三叉柱和鋼管混凝土三叉柱在大震作用下，該三叉柱節(jié)點(diǎn)均進(jìn)入塑性階段。雖然遇到大震作用，節(jié)點(diǎn)仍在安全階段，依然能夠承受壓力。鋼管混凝土在小震作用下，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較高，在中震作用下，鋼管又較早的屈服[3]。三叉柱并不會(huì)受到小震作用的嚴(yán)重影響，當(dāng)承受小震影響時(shí)節(jié)點(diǎn)均處于彈性狀態(tài)，混凝土、型鋼和鋼筋的應(yīng)力水平不會(huì)發(fā)生較大變化，仍然處于基本適中的狀態(tài)。但是，三叉柱在中震作用下時(shí)鋼筋已經(jīng)受到影響進(jìn)入屈服階段，二型鋼尚未屈服。三叉柱在大震作用下，型鋼和鋼筋的塑性應(yīng)變都未超過(guò)極限應(yīng)變，節(jié)點(diǎn)處于安全階段。

復(fù)雜節(jié)點(diǎn)精細(xì)化分析模型的邊界條件采用位移邊界條件，分析結(jié)果復(fù)雜多樣，可以較好地滿足各種需求，主要包括混凝土的主拉應(yīng)力，混凝土的最大壓應(yīng)變，型鋼、鋼筋及鋼管的Mises應(yīng)變和塑性累計(jì)變形。

結(jié)語(yǔ)

ABAQUS子結(jié)構(gòu)法在超限高層復(fù)雜節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析中的應(yīng)用前景廣闊。子結(jié)構(gòu)方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其從縮減結(jié)構(gòu)自由度出發(fā)，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算避免了一般方法將簡(jiǎn)單問題復(fù)雜化的缺點(diǎn)，這一優(yōu)勢(shì)為復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析提供了一種方便快捷的辦法，也從更大程度上增強(qiáng)了分析的科學(xué)性。在很多建筑結(jié)構(gòu)中通過(guò)使用子結(jié)構(gòu)方法對(duì)三叉柱部分進(jìn)行ABAQUS有限元分析，可以得出更加精確的結(jié)果和性能分析。例如，經(jīng)過(guò)ABAQUS子結(jié)構(gòu)法我們可以比較精確和直觀的得出節(jié)點(diǎn)在地震作用下的受力性能，在對(duì)受力性能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上可以精確得出各部件的受力情況是否滿足規(guī)范的要求。在經(jīng)過(guò)這些受力情況計(jì)算之后超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)將會(huì)更加科學(xué)。

[1]王雨生，王曙光，王滋軍.基于ABAQUS子結(jié)構(gòu)法對(duì)超限高層復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析［J］.建筑科學(xué)，2012，(09).

[2]浮志強(qiáng)，何競(jìng)飛，鄧華.基于ABAQUS的夾鉗鉗口有限元應(yīng)力分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，（02）.

[3]鄭秀敏，劉其廣.基于Abaqus的漿液攪拌車驅(qū)動(dòng)輪輪緣的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2012，（05）.