基于abaqus的鋼框架組合節(jié)點(diǎn)非線性有限元模型

基于abaqus的鋼框架組合節(jié)點(diǎn)非線性有限元模型

在多層樓鋼框架中，最常用的剛性連接方法是梁翼邊緣與柱連接，梁腹部板和上耳板用高強(qiáng)度螺釘連接。鋼框架結(jié)構(gòu)中的樓蓋常采用混凝土或壓型鋼板組合樓板?？拐鹪O(shè)計的基本準(zhǔn)則要求“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”,但是目前對于節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)化往往是考慮加強(qiáng)鋼梁與鋼柱的連接,在實際工程中并沒有考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)組合效應(yīng)使承載力提高的作用,特別是在采用鋼柱—組合梁的框架結(jié)構(gòu)中,組合效應(yīng)對節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載性能影響更為突出。組合作用對于節(jié)點(diǎn)承載力的提高毋庸置疑,但組合效應(yīng)也有其不利的一面,混凝土樓板的組合作用將使節(jié)點(diǎn)正彎矩區(qū)組合截面中和軸上移,下翼緣應(yīng)力可能比不考慮組合作用時有所增大,在地震往復(fù)荷載作用下,加速鋼梁的疲勞斷裂。同時,考慮組合作用后,會使節(jié)點(diǎn)的剛度上升,從而對節(jié)點(diǎn)的抗震延性帶來不利影響。采用通用有限元軟件ABAQUS,建立鋼框架混凝土樓板組合節(jié)點(diǎn)的非線性有限元模型,并結(jié)合國內(nèi)外此類節(jié)點(diǎn)的典型試驗,驗證提出的有限元模型的準(zhǔn)確性和適用性,為該類型組合節(jié)點(diǎn)的受力性能分析提供有力的依據(jù)和工具。對比分析試驗和有限元分析結(jié)果,對該類型節(jié)點(diǎn)承載力性能、組合作用、滯回性能進(jìn)行深入探討。1元算模型1.1abaqus模型鋼框架組合節(jié)點(diǎn)一般由鋼框架、壓型鋼板、混凝土樓板、鋼筋、栓釘以及螺栓組成,典型節(jié)點(diǎn)形式如圖1所示。其中鋼梁柱部分一般采用H型鋼,在ABAQUS中采用四節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元(S4R)模擬。在實際工程中組合梁大部分按照完全剪力連接設(shè)計,因而在該文模型中不考慮組合梁的滑移效應(yīng)?；炷翗前宀捎每臻g3維縮減積分實體單元(C3D8R)。樓板內(nèi)鋼筋采用3維桁架單元(T3D2)。壓型鋼板采用四節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元(S4R)。有限元計算模型的邊界條件和典型試驗中的基本相同。1.2材料結(jié)構(gòu)模型1.2.1泊松比和隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則鋼材本構(gòu)模型采用Hajjar提出的考慮屈服強(qiáng)化的本構(gòu)模型,泊松比取0.3。采用VonMises屈服準(zhǔn)則、相關(guān)流動準(zhǔn)則以及隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則。在彈性和塑性加載階段都考慮幾何非線性以及大變形。1.2.2螺栓的滑移曲線該類型節(jié)點(diǎn)的梁腹板采用高強(qiáng)度螺栓與剪切板連接。分析中為了真實模擬實際情況,用彈簧模擬螺栓。彈簧的剛度曲線如圖2所示,采用文獻(xiàn)中對于高強(qiáng)螺栓抗滑移曲線的試驗得到計算曲線的準(zhǔn)則:1)摩擦階段:外力由接觸面的摩擦承擔(dān),相對位移量不超過0.2mm,達(dá)到高強(qiáng)螺栓的剪切承載力,承載力的計算公式參照文獻(xiàn)。2)滑移階段:當(dāng)外力超過承載力時,曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,接觸面產(chǎn)生“滑動”;荷載變化不大,芯板和蓋板間相對位移量增大顯著;螺栓發(fā)生滑移之后,由于螺栓孔比螺栓大2mm,所以螺栓在碰觸在孔壁之前保持摩擦承載力。3)承壓階段:外力靠螺栓與孔壁的承壓傳遞,與普通螺栓的抗剪承載力計算方法相同。1.2.3損傷模型的確定混凝土采用ABAQUS中提供的混凝土彈塑性斷裂-損傷模型。其將損傷指標(biāo)引入混凝土模型,對混凝土的剛度矩陣加以折減,模擬混凝土的卸載剛度隨損傷增加而降低的特點(diǎn),如圖3所示。在混凝土塑性損傷模型中,有效拉、壓應(yīng)力為:σˉt=σt(1?dt)=E0(εt?εp?lt)(1)σˉt=σt(1-dt)=E0(εt-εtp^l)(1)其中,dt,dc為比例退化變量,當(dāng)值為0時表示沒有損傷,為1時表示材料完全破壞。計算過程中,ABAQUS將自動根據(jù)當(dāng)前的壓應(yīng)力和受壓損傷值,按照上式來計算考慮損傷后的受拉、壓塑性應(yīng)變,進(jìn)而確定有效拉、壓應(yīng)力εlt,εlc。損傷模型參數(shù)的確定參照文獻(xiàn)。樓板中使用的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Hognest本構(gòu)模型。其中,混凝土抗壓強(qiáng)度fck=0.67fcu,混凝土抗拉強(qiáng)度,fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。2計算與分析2.1試件結(jié)構(gòu)及參數(shù)蘇迪等人的試驗選取了現(xiàn)行抗震規(guī)范中的梁柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)形式和改進(jìn)焊孔構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)形式,在循環(huán)往復(fù)荷載作用下,考察混凝土樓板的組合效應(yīng)。節(jié)點(diǎn)尺寸和局部構(gòu)造如圖4所示。試件采用主框架平面的十字形足尺模型。其中鋼梁柱部分均為焊接H型鋼,梁的截面尺寸如圖5所示。試驗所得鋼材的屈服應(yīng)力為270MPa。梁的翼緣用角焊縫焊接在柱翼緣上,梁腹板采用4個10.9級M20摩擦型高強(qiáng)度螺栓通過連接板與柱翼緣連接。梁柱截面板件的寬厚比、高厚比均滿足中國現(xiàn)行抗震規(guī)范的構(gòu)造要求,試件的具體參數(shù)見表1。試件加載裝置如圖5所示。試驗中在梁端施加循環(huán)往復(fù)荷載,直至構(gòu)件完全破壞。加載分2個階段,試件屈服前采用荷載增量控制,試件的彈性極限荷載約為120kN,分4級,每級循環(huán)1次;出現(xiàn)塑性屈服后采用位移增量控制,以屈服位移的0.5倍為單位增加,每級循環(huán)2次,直至構(gòu)件破壞。各試件的計算荷載-位移(P-Δ)曲線和試驗滯回曲線的對比如圖6所示。2.2節(jié)點(diǎn)材料及加載制度Lee等人的試驗從1個6層高,兩跨足尺的框架模型中提取出來,框架根據(jù)1979年UniformBuildingCode(UBC)以及1981年的日本建筑規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。選用試驗中的2個節(jié)點(diǎn):1個為典型的外部節(jié)點(diǎn)EJ-FC、1個為典型的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)IJ-FC,如圖7所示。鋼梁柱部分均為焊接H型鋼,梁腹板采用5個摩擦型高強(qiáng)度螺栓通過連接板與柱翼緣連接。試件具體尺寸如圖8所示。材料屬性根據(jù)節(jié)點(diǎn)試驗的材性試驗得到,具體見表2。試件的加載制度與蘇迪等人的試驗相似,采用位移加載,在屈服前分為5級加載,屈服后以屈服位移的整數(shù)倍加載,每個等級循環(huán)3次。各試件的計算荷載-位移(P-Δ)曲線和試驗滯回曲線的對比如圖9所示。2.3試驗的有限比較分析2.3.1混凝土初始剛度從圖9中可以看出,試驗中試件的滯回曲線在卸載完成后出現(xiàn)部分捏攏的現(xiàn)象,源于反向加荷時,受拉區(qū)混凝土裂縫尚未閉合,使初始剛度下降,待裂縫閉合受壓區(qū)混凝土參加工作后,剛度上升,曲線同時上升了。從圖9中可以看出有限元結(jié)果的強(qiáng)化特性比試驗明顯。主要原因是試驗中的材料不可能是無缺陷的,這一點(diǎn)和有限元中理想材料是有區(qū)別的。2.3.2正彎矩作用下的混凝土試驗研究構(gòu)件的極限承載力計算值和試驗值的比較見表3、圖10和圖11,采用文中給出的非線性有限元分析方法模擬試件的承載力和荷載-位移曲線是可靠的。從圖10和圖11中可以看出,有限元對節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩受力行為模擬很好,但正彎矩有限元計算結(jié)果比試驗稍高,這主要由2方面原因造成:1)由于在試驗中側(cè)向約束不足,造成梁在加載的過程中發(fā)生平面外扭轉(zhuǎn),導(dǎo)致承載力降低。蘇迪等人的試驗中,正負(fù)彎矩承載力基本相同。但是由于樓板的組合作用,在正彎矩的作用下混凝土參與受力,節(jié)點(diǎn)承載力應(yīng)該有顯著的提高;在負(fù)彎矩加載中,由于混凝土開裂提早退出工作,對承載力的提高有限,這一點(diǎn)從Lee等人試驗中也可以看出。2)混凝土在往復(fù)加載中損傷較為嚴(yán)重,而混凝土對框架梁正彎矩受力行為影響很大,負(fù)彎矩受力行為影響小,所以正彎矩作用下混凝土的退化更為嚴(yán)重。雖然在有限元分析中考慮了混凝土的損傷退化,但其對于卸載剛度的影響大于承載力的影響,因此,采用更為準(zhǔn)確的考慮強(qiáng)度和剛度2方面損傷退化得準(zhǔn)則顯得尤為重要。有限元分析的滯回曲線在彎折的位置均高于實驗結(jié)果,這是因為實驗中材料的缺陷和雜質(zhì)的存在使得彈性承載力比有限元理想材料計算值低。從圖10和圖11中可以看出,隨著配筋率的升高,有限元計算和試驗值越接近。這是由于配筋率高的節(jié)點(diǎn)延性更好,離屈服彎曲的部分更遠(yuǎn),所以彈性承載力的影響減小,而且延性提高對于混凝土對于承載力增強(qiáng)的效應(yīng)越明顯,所以有限元和試驗計算擬合較好。3節(jié)點(diǎn)間效應(yīng)分析3.1節(jié)點(diǎn)過載性能分析3.1.1回曲線的破壞特征1)蘇迪等人的試驗除CJ3由于焊縫破壞較早,滯回曲線面積明顯偏小,其他的試件都表現(xiàn)出較好的延性,雖然CJ1和CJ2的滯回曲線在卸載完成的時候出現(xiàn)部分捏攏的現(xiàn)象,但基本上都呈紡錘形,其截面的破壞形式均為出現(xiàn)塑性鉸后再發(fā)生焊縫撕裂。CJ4的包絡(luò)線面積最大,延性最好,滯回曲線最為飽滿光滑,證明該節(jié)點(diǎn)具有良好的承受低周往復(fù)循環(huán)地震荷載的能力。2)Lee等人的EJ-FC、IJ-FC均表現(xiàn)出良好的滯回性能,雖然試驗曲線在正彎矩的部分表現(xiàn)出部分捏攏現(xiàn)象,但總體來說滯回曲線飽滿光滑。3.1.2節(jié)點(diǎn)有限元分析1)實驗中曲線存在下降段,并且即使是同一位移加載,滯回曲線也不完全重合,并且隨著滯回圈數(shù)的增加,節(jié)點(diǎn)的卸載剛度也是逐漸降低,說明實際中鋼材、混凝土均存在強(qiáng)度和剛度的退化。退化的程度與其前面的循環(huán)次數(shù)、滯回環(huán)的面積(節(jié)點(diǎn)的耗能能力)、塑性變形均有密切的關(guān)系。但在有限元分析中的鋼材強(qiáng)化準(zhǔn)則并沒有考慮退化的現(xiàn)象,并且卸載準(zhǔn)則也是經(jīng)典的彈塑性卸載準(zhǔn)則?，F(xiàn)國內(nèi)外均對這方面進(jìn)行研究。鋼材的累積損傷主要反映在裂紋發(fā)展和斷裂,可定義損傷指數(shù)考慮鋼材在反復(fù)荷載作用下的累積損傷,強(qiáng)度和剛度退化主要反映在構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的屈曲、屈服和斷裂,雖然現(xiàn)在也有很多考慮剛度強(qiáng)度退化的方法及模型,但并沒有一種通用性的模型,此問題是需要進(jìn)一步研究的。2)雖然混凝土在有限元分析中考慮了損傷退化的影響,但是其對于卸載剛度的影響大于承載力的影響,而且損傷只和最大應(yīng)變有關(guān),沒有體現(xiàn)損傷隨滯回圈數(shù)增加的損傷累積。3.2節(jié)點(diǎn)承載能力分析3.2.1節(jié)點(diǎn)抗拉組合剛度蘇迪的試驗中,梁柱尺寸相同,彈性極限荷載,各構(gòu)件基本一致,說明在受荷初期,混凝土開裂以前,截面的正向剛度與負(fù)向剛度比較接近。表4給出組合作用考慮與否對節(jié)點(diǎn)承載力和剛度的影響情況,表4中Puc為考慮組合作用承載力,Pus純鋼結(jié)構(gòu)承載力,Kc為考慮組合作用剛度,Ks為純鋼結(jié)構(gòu)剛度。從表4可以看出,考慮了混凝土板的組合效應(yīng),剛度提高平均32%,承載力提高平均26%。對于節(jié)點(diǎn)的性能有很大的影響,在工程設(shè)計中應(yīng)給予重視。3.2.2極端負(fù)荷分析由于樓板的組合作用,節(jié)點(diǎn)正彎矩作用下承載力顯著高于負(fù)彎矩作用下承載力。3.2.3不同強(qiáng)度的承載力從圖12中可以看出高配筋率對于正彎矩下的承載力影響很小;而對負(fù)彎矩的承載力有顯著地提高。這主要源于負(fù)彎矩作用下混凝土受拉開裂提早退出工作,鋼筋成為受力的主體。3.2.4節(jié)點(diǎn)梁柱焊接條件試驗中結(jié)構(gòu)的破壞均是在焊接的熱影響區(qū)焊縫或者翼緣斷裂。因此工程中為保證節(jié)點(diǎn)延性,必須保證節(jié)點(diǎn)梁柱焊接條件,盡可能減少焊接缺陷。適當(dāng)?shù)膶?jié)點(diǎn)進(jìn)行局部構(gòu)造的改進(jìn),也有利于節(jié)點(diǎn)受力性能的改善,減少節(jié)點(diǎn)焊縫區(qū)域脆性斷裂的可能性。4節(jié)點(diǎn)的延性分析建立鋼框架混凝土樓板組合節(jié)點(diǎn)非線性有限元計算模型,并和典型國內(nèi)外試驗結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)試驗和計算的結(jié)果進(jìn)行此類節(jié)點(diǎn)的受力性能分析,得到如下結(jié)論:1)建立的鋼框架組合節(jié)點(diǎn)非線性有限元模型在宏觀破壞形態(tài)和承載力-變形關(guān)系等方面與典型試驗結(jié)果均吻合良好,驗證了模型中采用的單元類型、材料本構(gòu)以及接觸類型的合理性。2)考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土板的組合效應(yīng),對于提高鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)循環(huán)荷載下的承載力效果明顯,平均提高26%,彈性剛度平均提高30%,這一點(diǎn)會對節(jié)點(diǎn)的抗震延性帶來不利的影響,要在結(jié)構(gòu)設(shè)計引起關(guān)注。但是在節(jié)點(diǎn)選型合理,配筋合適的情況下,