罕遇地震作用下大懸挑鋼架組合節點的有限元分析

趙師平

(核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610000)

近年來，國內外出現了大量大懸挑結構，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75 m (CCTV 新址)。為了解決這類大懸挑結構問題，鋼-混凝土組合結構被廣泛采用。國內外對各種類型的鋼-混凝土組合節點開展了一系列試驗研究[1-6]，結果表明設計合理的組合節點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。

隨著有限元技術的迅速普及，工程非線性計算已經得到了迅猛發展。MIDAS/FEA是針對土木結構領域開發的具有土木專業特點的非線性詳細分析軟件。較MIDAS以前的產品提供了更直觀、更多樣化的建模方式和更強大的分析功能，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計人員的提供了美觀多樣的分析結果。

本文采用數值模擬方法對武勝文化館大跨度懸挑鋼架的典型節點進行了有限元分析。

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內，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　典型節點分析

為了保證懸挑部位節點可靠連接，對節點進行精細分析。采用MIDAS/FEA對3種典型節點進行了有限元分析。鋼構件及混凝土均采用實體單元，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，每種節點均采用罕遇地震作用下的內力組合。

3　典型節點一數值模擬結果及分析

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

圖2　混凝土單元應力云圖

圖3　型鋼單元應力云圖

圖4　鋼筋單元應力云圖

圖5　混凝土單元應力云圖

4　典型節點二數值模擬結果及分析

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

圖6　型鋼單元應力云圖

圖7　鋼筋單元應力云圖

5　典型節點三數值模擬結果及分析

由圖8得到鋼構件最大Mises應力為110.6 MPa，其次是鋼柱部位，應力為56.8 MPa，應力水平較低，處于彈性工作狀態。

圖8　型鋼單元應力云圖

6　結論

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、強度較高、質量輕，可加快工程施工的進度，并且能減小構件的截面尺寸，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構在地震作用下達到“強柱弱梁”的效果，使塑性鉸優先出現在梁端。利用MIDAS/FEA有限元軟件，分析了典型節點的受力狀態，得出了節點在罕遇地震作用下處于彈性工作狀態，能滿足超限建筑性能目標設計。