關(guān)鍵節(jié)點驗算

1、基于ABAQUS的框筒結(jié)構(gòu)加強層節(jié)點有限元分析摘要：文章用大型通用有限元軟件ABAQUS對重慶某框筒結(jié)構(gòu)加強層的節(jié)點進行有 限元分析。其中混凝土和型鋼用實體單元分離建模，并用Embed技術(shù)進行自由度的 耦合。分析結(jié)果表明關(guān)鍵節(jié)點在小震控制組合、風(fēng)荷載控制組合、以及中震和大震 作用下，節(jié)點區(qū)各桿件傳力路徑清晰、應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力水平未達到鋼材屈服 強度，可認(rèn)為節(jié)點滿足小震彈性、風(fēng)荷載組合彈性、中震彈性以及大震不屈服的性 能化設(shè)計目標(biāo)要求。關(guān)鍵字：實體單元、荷載組合、大震不屈服一工程概況重慶天和大廈位于重慶市江北區(qū)觀音橋商業(yè)圈東南角渝北二村2號地塊（江北 觀音橋I分區(qū)I29-1-02/02地塊）

2、。本項目的總建筑面積170354.6平方米，其中地上 總建筑面積112089平方米，地下建筑面積54218.94平方米。建筑地下部分8層， 高度35.95m，地上層數(shù)61層，高度328米。圖1-1塔樓剖面圖圖1-2伸臂桁架布置示意圖H一mlMIHo一曰OH 甲 壬平ELixllLLm 二豆H曰曰二三伸臂桁架與核心筒連接處受力形式復(fù)雜，文章主要分析在加強層處伸臂桁架與 剪力墻連接節(jié)點、伸臂桁架與框架梁柱連接節(jié)點在小震和中震作用、風(fēng)荷作用及大 震作用下的受力狀態(tài)。二、ABAQUS 簡介ABAQUS是一套功能強大的基于有限元法的工程模擬軟件，以精于復(fù)雜問題 的求解見長，特別是其非線性力學(xué)分析的功能全

3、球領(lǐng)先。ABAQUS提供了十分豐富 的、可模擬任意實際形狀的單元庫。并與之對應(yīng)擁有各種類型的材料模型庫，可以 模擬大多數(shù)典型工程材料的性能，其中包括金屬、混凝土、高分子材料、復(fù)合材料、 巖石和土等材料。一個完整的ABAQUS分析過程包括三個步驟：前處理(ABAQUS/CAE)、分析 計算(ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit)和后處理(ABAQUS/CAE 或 ABAQUS/Viewer)。ABAQUS/CAE是ABAQUS的交互式圖形環(huán)境。在該模塊中，用戶首先需生成 或輸入要分析結(jié)構(gòu)的幾何形狀，然后將它分解為便于網(wǎng)格化的若干區(qū)域，并對幾何 體賦于物理和材料特性、

4、荷載以及邊界條件。該模塊中提供了一些方便快捷的方法， 可大大提高建模效率。ABAQUS的分析模塊主要有兩個：ABAQUS/Standard和 ABAQUS/Explicito ABAQUS/Standard是一個通用分析模塊，在數(shù)值方法上采用隱 式積分，能夠求解非常廣泛的線性和非線性問題，包括結(jié)構(gòu)的靜態(tài)/動態(tài)問題/熱力學(xué) 場和電磁場問題等。本文的模擬分析也是基于此模塊。而ABAQUS/Explicit 一般用 于特殊目的分析模塊，它采用顯式動力有限元列式，適用于像沖擊和爆炸這類短暫， 瞬時的動態(tài)事件，對加工成形過程中改變接觸條件的這類高度非線性問題也非常有 效。ABAQUS/Viewer是AB

5、AQUS/CAE的子集，它只包含了可視化的后處理功能， 在該模塊中可得到相關(guān)數(shù)據(jù)，形成各種云圖及曲線等。三、有限元模型建立3.1有限元模型確定分別取塔樓結(jié)構(gòu)中伸臂桁架與核心筒剪力墻的連接節(jié)點、伸臂桁架與框架柱連 接節(jié)點及伸臂桁架與橫梁連接節(jié)點作為分析對象，如圖3.1所示。節(jié)點模型包括核 心混凝土筒剪力墻、樓面型鋼混凝土梁、鋼管混凝土柱和伸臂桁架支撐。節(jié)點的有 限元模型如圖所示。圖3.2節(jié)點JD-A有限元模型（整體模型與型鋼部分）圖3.3節(jié)點JD-B有限元模型圖3.4節(jié)點JD-C有限元模型節(jié)點模型的各桿件尺寸與結(jié)構(gòu)整體分析中PKPM模型中的尺寸一致。鋼結(jié)構(gòu) 部件采用Q345GJ鋼材。3.2建模的

6、基本假定考慮到節(jié)點各部件等強連接，有限元建模時未考慮焊縫、螺栓等細(xì)部構(gòu)造處理。 相同材料的部件采用Merge成為整體。不同的材料之間采用Embed技術(shù)實現(xiàn)自由度 的耦合。3.3非線性方程組解法一般非線性方程組的求解方法大致可以歸納為三類：迭代法、增量法以及增量 一迭代法。根據(jù)本模型的基本性質(zhì)，本文使用的求解器是Standard模塊。該模塊在 求解非線性問題時，將分析過程分為許多的荷載增量步，然后在每個增量步中，通 過虛位移原理建立平衡方程，并采用Newton-Raphson (默認(rèn))迭代法、修正牛頓法 或擬牛頓法，求出近似平衡解。因而該模塊求解本質(zhì)上采用的是增量一迭代法。ABAQUS/Stan

7、dard中的平衡迭代和收斂ABAQUS/Standard中針對不同問題提供多種算法，最常見的有通用法 (Static,General)和孤長法(Static,Riks)。經(jīng)過比較，本文采用通用法計算。ABAQUS/Standard中的自動增量控制ABAQUS采用自動增量步長法，可以便捷而有效地求解非線性問題。所謂自動增 量步長，即若連續(xù)兩個增量步少于5次迭代時收斂，則將增量大小提高50%,為避免增 量步過大,可設(shè)定最大增量步長。如果經(jīng)過16次迭代求解仍不能收斂或者結(jié)果顯示 出發(fā)散，即放棄當(dāng)前增量步，并將增量步的值設(shè)置為原來值的25%,重新開始計算，利用 比較小的載荷增量來嘗試找到收斂的解答。若

8、此增量仍小能使其收斂，將再次減小增 量步的值。在中止分析之前，允許至多五次減小增量步的值。3.4單元選取與網(wǎng)格劃分有限元分析中，網(wǎng)格密度的控制十分重要，一般對并非關(guān)鍵部位，可以粗些，對于重點研究區(qū)域，應(yīng)該適當(dāng)細(xì)化。當(dāng)然網(wǎng)格也并非越細(xì)越好。對一般彈性問題分 析或硬化材料的分析，網(wǎng)格越密,精度一般越好。但對于混凝土這種存在軟化的材料, 未必如此。節(jié)點模型選取實體單元模擬，主要選用8節(jié)點縮減積分實體單元C3D8R 和四節(jié)點線性四面體單元C3D4,其具有良好的彈塑性分析特性且計算成本低。節(jié)點 區(qū)域采用網(wǎng)格尺寸約為40mm進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點幾何模型及網(wǎng)格劃分如下圖所示。圖3.5節(jié)點JD-A、JD-B模型

9、的網(wǎng)格劃分Z圖3.6節(jié)點JD-C模型的網(wǎng)格劃分3.5材料本構(gòu)關(guān)系鋼材采用Q345GJ，其屈服強度為325N/mm2，彈性模量取為2.10X 105N/mm2, 泊松比為0.3.材料應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系為雙折線模型，強化段斜率為0.1%。鋼材在復(fù) 雜應(yīng)力狀態(tài)下的強度準(zhǔn)則采用Mise屈服條件；非線性分析過程中采用等向強化準(zhǔn)則。3.6邊界條件與荷載施加模型采用簡化的邊界約束方式：JD-A:選取核心筒混凝土，剪力墻上下端部施加固支約束，在G-2, G-3端部 施加軸向力，在L-1，L-2端部施加梁端部彎矩。JD-B:選取橫梁，即L-3，L-4端部施加固支約束，在G-1，G-4端部施加軸向 力。JD-C:選取

10、框架柱，即Z-1端部施加固支約束，在L-5端部施加梁端彎矩，在 G-5端部施加軸向力。根據(jù)ETABS整體結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果，提取支撐力軸力最大的組合下的桿件內(nèi) 力，將相應(yīng)荷載施加在有限元模型的桿端。提取的荷載組合包括：100 風(fēng)荷載：1.2 恒+0.7X 1.4 活1.0X1.4 風(fēng)任100年小震彈性：1.2 （恒+0.5活）1.3水平小震風(fēng)削件100年中震彈性：1.2 （恒+0.5活）1.3水平中震大震不屈服：1.0恒+0.5 活+1.0水平大震各荷載組合下，節(jié)點模型JD-A，JD-B，JD-C的ETABS內(nèi)力計算結(jié)果見表表3.1各荷載組合下節(jié)點模型JD-A的內(nèi)力，單位（KN.m）何載組合構(gòu)件

11、L-1L-2G-2G-31.2 恒+0.7 X 1.4 活1.0X1.4風(fēng)左100年P(guān)14275.5810912.39M-6114.54-5539.611.2 （恒+0.5 活）1.3 水平小震風(fēng)*100年P(guān)11557.369153.704M-5059.63-4679.271.2 （恒+0.5 活）1.3 水 平中震P15214.9411067.08M-6635.86-5839.931.0 恒+0.5 活+1.0 水平 大震P1784212201.35M-7490.45-6338.5表3.2各荷載組合下節(jié)點模型JD-B的內(nèi)力，單位（KN.m）何載組合構(gòu)件G-1G-41.2 恒+0.7X 1.4

12、 活 1.0X1.4 風(fēng) 100年P(guān)-16170.114275.581.2（恒+0.5 活）1.3 水平小震風(fēng)包100年P(guān)-13475.111557.361.2 （恒+0.5活）1.3水平中震P-17067.615214.941.0恒+0.5活+1.0水平大震P-19129.117842表3.3各荷載組合下節(jié)點模型JD-C的內(nèi)力，單位（KN.m）何載組合構(gòu)件L-3G-51.2 恒+0.7X1.4 活1.0X1.4 風(fēng) 100年P(guān)-16170.1M3905.6561.2 （恒+0.5活）土 1.3水平小震+0.2X1.4風(fēng)左100年P(guān)-13475.1M3952.321.2 （恒+0.5活）土 1

13、.3水平中震P-17067.6M7145.151.0恒+0.5 活+1.0水平大震P-19129.1M9464.63.7收斂準(zhǔn)則節(jié)點有限元分析過程中考慮材料非線性和幾何非線性。迭代計算收斂與否主要 采取殘差力與位移修正值判定。ABAQUAS程序默認(rèn)的殘差力容許值設(shè)置為整個荷載 階段上作用于結(jié)構(gòu)上的平均力的0.5%。在整個分析計算過程中，ABAQUAS自動計算 這個平均力；對于位移修正值，要求小于總的增量的位移的1%。只有同時滿足上述 兩個收斂準(zhǔn)則，才認(rèn)定該迭代步收斂。分析結(jié)果本節(jié)主要根據(jù)各節(jié)點模型在不同荷載組合下的應(yīng)力云圖，分析應(yīng)力集中區(qū)域分布情 況，得出節(jié)點區(qū)最大應(yīng)力值以及相應(yīng)位置，分析節(jié)點

14、的應(yīng)力水平，判斷節(jié)點能否滿 足性能化設(shè)計目標(biāo)表4.1節(jié)點JD-A模型（型鋼部分）的計算結(jié)果及分析荷載組合應(yīng)力云圖最大應(yīng)力值7556)100風(fēng)荷組合IMMbD 日 *3.S83a-i-DE _ t3,5Oi：ietO0 -+3.1 j7 + 0S *2.I34fl4DH *2.35 ji+DE . - + L.9E知十 DE + L.565e +06 - + L.2O2e*0fi S- *S.3?Td-+D7 - +4.gTw 叩 +5.2itDE最大應(yīng)力值為 204MPa，出 現(xiàn)在支撐構(gòu)件端 部匯交處。小震彈性中震彈性勿Mlg 麗71蓉)E+S.B49t+0S +E3 強#DB l-3.2 3

15、 5+QB I- *2.BSSt+0S -+2.33Lt+0eK +8.6 jfc+07 Mists網(wǎng) 75；|t4.93a*+DBl +-4.52-44-+OB+3,305t+Z.DB6e+DB + 1-+1-+9-7L Z6日gM日 2744+DB g?Sw+D7最大應(yīng)力達到 179MPa，出 現(xiàn)在支撐構(gòu)件端 部匯交處。最大應(yīng)力達到 243MPa，出 現(xiàn)在支撐構(gòu)件端 部匯交處。大震不屈服最大應(yīng)力達 到 284MPa，出 現(xiàn)在支撐構(gòu)件端 部匯交處。結(jié)論：JD-A支撐所受軸力及橫梁所受彎矩在節(jié)點區(qū)域傳遞路徑清晰，應(yīng)力均勻，僅在斜向 支撐構(gòu)件端部相交處有局部應(yīng)力集中，但區(qū)域不大，且均未達到屈服強

16、度。表4.2節(jié)點JD-B模型（型鋼部分）的計算結(jié)果及分析荷載組合應(yīng)力云圖最大應(yīng)力值100風(fēng)荷組合yB三二二g73 虬：1 土徐建 1.IM25CE 燧渺 S. Elf 07 裝提潞芝綴:出 L.DfrQ7 LFMACE最大應(yīng)力 值為 143MPa, 出現(xiàn)在支撐構(gòu) 件端部匯交 處。小震彈性n-sz7-777 7 7777-_a 群用招擋醫(yī) I虹美多卷參瞻霆 414,-sriHs。Z-J70 f rinr.mr.lEzlEPJa 土7Srirrar,as.-a.ME.i 郵二二三a最大應(yīng)力 達到 120MPa， 出現(xiàn)在支撐構(gòu) 件端部匯交 處。中震彈性最大應(yīng)力 達到 167MPa， 出現(xiàn)在支撐構(gòu) 件

17、端部匯交 處。S我 Si 密如:治? !；：響E也砌鞘大震不屈服最大應(yīng)力 達到 193MPa, 出現(xiàn)在支撐構(gòu) 件端部匯交 處。站備備S?a7a7a7a7a7oa JseLe:始5關(guān)陪Lese陽罪的 Vr.1m.ua3rJLnr.lJ7.lu3 s!.rJLJcjlmIqjr.lqar-U&3 t r J i i i i i ITS r.1.s.0-3.i3. 嵩三三三一g結(jié)論：JD-B支撐所受軸力在節(jié)點區(qū)域傳遞路徑清晰，應(yīng)力均勻，僅在支撐構(gòu)件端部與橫梁 相交處有局部應(yīng)力集中區(qū)域，且均未達到屈服強度。表8.7-6節(jié)點JD-C模型（型鋼部分）的計算結(jié)果及分析小震彈性最大應(yīng)力達到130MPa，出現(xiàn)在支撐構(gòu)件端部。RmncuMenlsfc r77-JNl-dT? 雋E三二一一汗大震不屈服塞亶 fa- T V z z T z .-Sil最大應(yīng)力達到240MPa，出現(xiàn)在支撐構(gòu)件端部。結(jié)論：JD-C支撐所受軸力在節(jié)點區(qū)域傳遞路徑清晰，應(yīng)力均勻，僅在支撐構(gòu)件端部與框架 柱鋼管相交處有局部應(yīng)力集中區(qū)域，且均未達到屈服強度。結(jié)論經(jīng)過上述分析，可以看出關(guān)鍵