型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)滯回性能有限元分析

任亞平

本文全方位的應(yīng)用ANSYS 軟件中實(shí)體單元建立起關(guān)于型鋼混凝土框架的最終結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)在水平單調(diào)以及循環(huán)加載這兩個(gè)條件下對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的受力分析工作。通過有限元分析，最終得出型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用的過程當(dāng)中具有較大的承載能力，同時(shí)具有很好的延展性。整個(gè)結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下所得到的滯回曲線飽滿且呈現(xiàn)梭形，在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出良好的耗能性。本文得出的最終結(jié)論對(duì)型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中所具有的受力性能研究有一定的參考價(jià)值。希望通過本文可以為相關(guān)工作提供一些參考。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，世界各國(guó)的房屋建筑當(dāng)前正在不斷增高的過程當(dāng)中，建筑企業(yè)對(duì)建筑物的具體造型投入了大量的心血。這些變化使建筑物在實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜性進(jìn)一步加強(qiáng)，從而使其抗震性能得不到有效的保障。在西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候大多數(shù)都是通過鋼結(jié)構(gòu)或鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)來使這些問題得到有效解決。而國(guó)內(nèi)經(jīng)過長(zhǎng)期的工程實(shí)踐后，發(fā)現(xiàn)型鋼混凝土的組合結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用時(shí)不僅其安全性能能夠得到充分的保證，而且還能充分適應(yīng)現(xiàn)代建筑對(duì)結(jié)構(gòu)的具體需求。因此這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)各類建筑工程中得到了極其廣泛的應(yīng)用。

一、研究現(xiàn)狀

為了滿足我國(guó)人口居住的需求，國(guó)內(nèi)開始出現(xiàn)一些超高層建筑。要想使超高層建筑的安全性能得到保障，就必須要進(jìn)一步加大型鋼混凝土（SRC）結(jié)構(gòu)的應(yīng)用力度。為此，相關(guān)學(xué)者對(duì)其展開了全方位的研究，并且取得了一些突出的成果。

二、型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型

1.型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)模型

為了使研究工作能夠?qū)こ虒?shí)踐展開指導(dǎo)，本文主要對(duì)型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)分別在水平單向加載以及循環(huán)加載下的受力性能進(jìn)行研究。在對(duì)其加載時(shí)，為框架柱豎向加0.4 Ny的軸向壓力。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：整個(gè)模型采用三跨兩層形式，其具體寬度分別為6.0m、2.7m、6.0m，層高為4.2m 框架。具體模型如圖1 所示。

圖1 試件實(shí)體模型

型 鋼 的 強(qiáng) 度 設(shè) 定 為Q235， 松 比 為0.22，混 凝 土 的 強(qiáng) 度 則 為C40，，泊松比為0.2；為了計(jì)算的方便，在實(shí)際計(jì)算中不對(duì)型鋼與混凝土之間存在的相對(duì)滑移問題進(jìn)行考慮。

2.有限元模型建立

考慮到混凝土的實(shí)際情況，為其采用SOLID65 單元；而對(duì)于型鋼而言，則為其采用SOLID45 單元；鋼筋由于其實(shí)際性能為其采用PIPE20 單元。根據(jù)研究物體的實(shí)際情況，本文采用映射單元網(wǎng)格劃分模式對(duì)相應(yīng)的有限元模型進(jìn)行劃分，將基本單元尺寸定義為120mm。

在定義模型加載方案時(shí)，考慮到工程實(shí)際以及計(jì)算的方便，將框架柱腳和地面視為理想剛接結(jié)構(gòu)。而在梁柱的節(jié)點(diǎn)位置處對(duì)有限元模型中節(jié)點(diǎn)平面外的自由度進(jìn)行有效的約束。在加載循環(huán)載荷時(shí)分別按照方式進(jìn)行進(jìn)行加載，直到試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

三、型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在水平載荷作用下有限元計(jì)算結(jié)果分析

1.單調(diào)加載曲線結(jié)果分析

當(dāng)對(duì)試件進(jìn)行單調(diào)加載時(shí)，相應(yīng)的載荷位移曲線如圖2 所示。通過對(duì)曲線進(jìn)行全面的研究后不難發(fā)現(xiàn)，在試件實(shí)際加載過程中構(gòu)件的整體受力反映可以將其劃分為三個(gè)階段：分別是彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。

圖2 BASE試件單調(diào)加載荷載-位移曲線

首先當(dāng)位移的具體數(shù)值在16mm 之前，BASE 試件將會(huì)一直處于彈性階段，反力在這一過程中將會(huì)隨著位移值的增加而呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)；其次，當(dāng)位移的具體數(shù)值大于16mm 之后，試件形狀開始產(chǎn)生變化，進(jìn)入彈塑形階段。隨著施加壓力的進(jìn)一步加大，結(jié)構(gòu)反力的具體數(shù)值的增大程度逐漸減緩；最后，當(dāng)位移達(dá)到102mm 及以上時(shí)，構(gòu)件開始進(jìn)入塑性破壞階段。在這一過程當(dāng)中，位移加載將會(huì)持續(xù)進(jìn)行，而相應(yīng)的反力則在出現(xiàn)小幅波動(dòng)之后，呈現(xiàn)突然下降的趨勢(shì)。

2.循環(huán)加載曲線結(jié)果分析

圖3 BASE試件循環(huán)加載滯回曲線

對(duì)于構(gòu)件而言，在對(duì)其進(jìn)行循環(huán)加載時(shí)，最終得到的滯回曲線如圖3 所示。通過相關(guān)理論不難得出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服位移值為，屈服載荷為從圖中不難看出，構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下，可以完成3.5 Δy 位移載荷的計(jì)算工作。隨著位移載荷的持續(xù)增加，整條滯回曲線將會(huì)不再保持直線形狀而呈現(xiàn)出梭形的形狀。在對(duì)應(yīng)力進(jìn)行卸載時(shí)，構(gòu)件的整體殘余應(yīng)變不大。然而結(jié)構(gòu)的整體剛度退化幅度非常明顯。這一情況充分表明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)開始進(jìn)入了彈塑性工作區(qū)段。一旦節(jié)點(diǎn)的水平載荷到達(dá)構(gòu)件的極限載荷之后，結(jié)構(gòu)的整體變形程度將會(huì)變得十分嚴(yán)重。同時(shí)構(gòu)件的剛度以及強(qiáng)度退化速度也不斷加快，這時(shí)滯回曲線將會(huì)整體呈現(xiàn)出梭形的結(jié)構(gòu)。一般而言鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在其相應(yīng)的承載能力達(dá)到極限之后，將會(huì)呈現(xiàn)出迅速下降的趨勢(shì)，位移的整體延續(xù)性系數(shù)將會(huì)小于2.0。這些結(jié)果充分表明，基本事件計(jì)算的最終結(jié)果符合工程實(shí)踐。

四、結(jié)語

第一，根據(jù)有限元分析的最終結(jié)果顯示，型鋼混凝土的整體框架結(jié)構(gòu)在水平單調(diào)載荷作用之下，其具有的承載力相對(duì)來說比較大。而且在實(shí)際應(yīng)用中其相應(yīng)的延性指數(shù)接近或大于4.0，這一數(shù)值充分體現(xiàn)出其延性可以滿足工程實(shí)踐的需求。

第二，型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在水平循環(huán)整合作用下所得到的最終滯回曲線整體形狀較為飽滿，而且呈現(xiàn)出梭形的結(jié)構(gòu)，并沒有明顯的壓縮現(xiàn)象，因此其耗能性能相對(duì)而言較為良好。

第三，型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在水平載荷的作用下隨著載荷數(shù)值的不斷加大，整體結(jié)構(gòu)受力階段大致可以分為彈性階段、彈塑性階段以及塑性破壞階段。