罕遇地震作用下大懸挑鋼架組合節(jié)點(diǎn)的有限元分析

趙師平

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610000)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量大懸挑結(jié)構(gòu)，其立面和空間的凸凹效果及豐富變化，受到建筑師們的青睞。最大的懸挑跨度已達(dá)75 m (CCTV 新址)。為了解決這類(lèi)大懸挑結(jié)構(gòu)問(wèn)題，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)被廣泛采用。國(guó)內(nèi)外對(duì)各種類(lèi)型的鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了一系列試驗(yàn)研究[1-6]，結(jié)果表明設(shè)計(jì)合理的組合節(jié)點(diǎn)具有良好的承載能力和變形性能，并在地震作用下具有良好的延性和耗能能力。

隨著有限元技術(shù)的迅速普及，工程非線性計(jì)算已經(jīng)得到了迅猛發(fā)展。MIDAS/FEA是針對(duì)土木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的具有土木專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)的非線性詳細(xì)分析軟件。較MIDAS以前的產(chǎn)品提供了更直觀、更多樣化的建模方式和更強(qiáng)大的分析功能，并利用最新的求解器獲得了更快的分析速度，其卓越的圖形處理功能為設(shè)計(jì)人員的提供了美觀多樣的分析結(jié)果。

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)武勝文化館大跨度懸挑鋼架的典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析。

1　工程概況

武勝文化館位于四川省廣安市武勝縣城市綜合體片區(qū)內(nèi)，總建筑面積約2.5×104m2。

本建筑由地上5層和地下1層組成。樓層整體外挑尺寸12.2 m。圖1為本工程的效果圖。

圖1　工程效果圖

2　典型節(jié)點(diǎn)分析

為了保證懸挑部位節(jié)點(diǎn)可靠連接，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)分析。采用MIDAS/FEA對(duì)3種典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析。鋼構(gòu)件及混凝土均采用實(shí)體單元，鋼筋采用鋼筋單元。假定型鋼與混凝土之間界面不考慮滑移，型鋼單元與混凝土單元直接耦合，每種節(jié)點(diǎn)均采用罕遇地震作用下的內(nèi)力組合。

3　典型節(jié)點(diǎn)一數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由圖2可以看出，混凝土的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在鋼撐下翼緣處的混凝土部位，此處應(yīng)力集中，最大應(yīng)力27.2 MPa，所占比例不足0.1 %。多數(shù)單元應(yīng)力均在15 MPa以下，應(yīng)力分布均勻，混凝土處于彈性工作狀態(tài)。由圖3得到型鋼的應(yīng)力分布狀態(tài)，鋼撐下翼緣與型鋼混凝土柱交接處，最大Mises應(yīng)力為151.08 MPa，應(yīng)力水平較低，處于彈性工作狀態(tài)。由圖4得到鋼筋的應(yīng)力分布狀態(tài)，型鋼混凝土柱中的縱筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力223 MPa；型鋼混凝土梁中，上部鋼筋主要處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力218 MPa，下部鋼筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力231 MPa；總體來(lái)說(shuō)，鋼筋處于彈性工作狀態(tài)。

圖2　混凝土單元應(yīng)力云圖

圖3　型鋼單元應(yīng)力云圖

圖4　鋼筋單元應(yīng)力云圖

圖5　混凝土單元應(yīng)力云圖

4　典型節(jié)點(diǎn)二數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由圖5可以看出，混凝土的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在型鋼混凝土梁2的上下表面部位，此處應(yīng)力集中，最大應(yīng)力22.5 MPa，但所占比例較小，僅為總單元數(shù)的0.6 %。其余部位應(yīng)力均在17 MPa以下，應(yīng)力分布均勻，可以認(rèn)為混凝土多數(shù)處于彈性工作狀態(tài)。由圖6得到型鋼的應(yīng)力分布狀態(tài)，最大應(yīng)力型鋼混凝土梁1、2、3中型鋼上下翼緣處，為107.6 MPa，鋼撐下翼緣初的應(yīng)力為81.5 MPa，應(yīng)力水平較低，處于彈性工作狀態(tài)。由圖7得到鋼筋的應(yīng)力分布狀態(tài)，型鋼混凝土柱中的縱筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力152 MPa；型鋼混凝土梁2中，上部鋼筋主要處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力266 MPa，下部鋼筋主要處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力291 MPa；總體來(lái)說(shuō)，鋼筋處于彈性工作狀態(tài)。

圖6　型鋼單元應(yīng)力云圖

圖7　鋼筋單元應(yīng)力云圖

5　典型節(jié)點(diǎn)三數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由圖8得到鋼構(gòu)件最大Mises應(yīng)力為110.6 MPa，其次是鋼柱部位，應(yīng)力為56.8 MPa，應(yīng)力水平較低，處于彈性工作狀態(tài)。

圖8　型鋼單元應(yīng)力云圖

6　結(jié)論

鋼筋混凝土柱剛度大、耐久、耐火性及受壓性能好；而鋼梁塑性性能好、強(qiáng)度較高、質(zhì)量輕，可加快工程施工的進(jìn)度，并且能減小構(gòu)件的截面尺寸，增加有效使用空間。考慮鋼梁延性較好，鋼筋混凝土柱剛度較大，二者的組合能更好地控制結(jié)構(gòu)在地震作用下達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的效果，使塑性鉸優(yōu)先出現(xiàn)在梁端。利用MIDAS/FEA有限元軟件，分析了典型節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，得出了節(jié)點(diǎn)在罕遇地震作用下處于彈性工作狀態(tài)，能滿足超限建筑性能目標(biāo)設(shè)計(jì)。