关键节点验算

1、基于ABAQUS的框筒结构加强层节点有限元分析摘要：文章用大型通用有限元软件ABAQUS对重庆某框筒结构加强层的节点进行有 限元分析。其中混凝土和型钢用实体单元分离建模，并用Embed技术进行自由度的 耦合。分析结果表明关键节点在小震控制组合、风荷载控制组合、以及中震和大震 作用下，节点区各杆件传力路径清晰、应力分布较均匀，应力水平未达到钢材屈服 强度，可认为节点满足小震弹性、风荷载组合弹性、中震弹性以及大震不屈服的性 能化设计目标要求。关键字：实体单元、荷载组合、大震不屈服一工程概况重庆天和大厦位于重庆市江北区观音桥商业圈东南角渝北二村2号地块（江北 观音桥I分区I29-1-02/02地块）

2、。本项目的总建筑面积170354.6平方米，其中地上 总建筑面积112089平方米，地下建筑面积54218.94平方米。建筑地下部分8层， 高度35.95m，地上层数61层，高度328米。图1-1塔楼剖面图图1-2伸臂桁架布置示意图H一mlMIHo一曰OH 甲 壬平ELixllLLm 二豆H曰曰二三伸臂桁架与核心筒连接处受力形式复杂，文章主要分析在加强层处伸臂桁架与 剪力墙连接节点、伸臂桁架与框架梁柱连接节点在小震和中震作用、风荷作用及大 震作用下的受力状态。二、ABAQUS 简介ABAQUS是一套功能强大的基于有限元法的工程模拟软件，以精于复杂问题 的求解见长，特别是其非线性力学分析的功能全

3、球领先。ABAQUS提供了十分丰富 的、可模拟任意实际形状的单元库。并与之对应拥有各种类型的材料模型库，可以 模拟大多数典型工程材料的性能，其中包括金属、混凝土、高分子材料、复合材料、 岩石和土等材料。一个完整的ABAQUS分析过程包括三个步骤：前处理(ABAQUS/CAE)、分析 计算(ABAQUS/Standard 或 ABAQUS/Explicit)和后处理(ABAQUS/CAE 或 ABAQUS/Viewer)。ABAQUS/CAE是ABAQUS的交互式图形环境。在该模块中，用户首先需生成 或输入要分析结构的几何形状，然后将它分解为便于网格化的若干区域，并对几何 体赋于物理和材料特性、

4、荷载以及边界条件。该模块中提供了一些方便快捷的方法， 可大大提高建模效率。ABAQUS的分析模块主要有两个：ABAQUS/Standard和 ABAQUS/Explicito ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，在数值方法上采用隐 式积分，能够求解非常广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态/动态问题/热力学 场和电磁场问题等。本文的模拟分析也是基于此模块。而ABAQUS/Explicit 一般用 于特殊目的分析模块，它采用显式动力有限元列式，适用于像冲击和爆炸这类短暂， 瞬时的动态事件，对加工成形过程中改变接触条件的这类高度非线性问题也非常有 效。ABAQUS/Viewer是AB

5、AQUS/CAE的子集，它只包含了可视化的后处理功能， 在该模块中可得到相关数据，形成各种云图及曲线等。三、有限元模型建立3.1有限元模型确定分别取塔楼结构中伸臂桁架与核心筒剪力墙的连接节点、伸臂桁架与框架柱连 接节点及伸臂桁架与横梁连接节点作为分析对象，如图3.1所示。节点模型包括核 心混凝土筒剪力墙、楼面型钢混凝土梁、钢管混凝土柱和伸臂桁架支撑。节点的有 限元模型如图所示。图3.2节点JD-A有限元模型（整体模型与型钢部分）图3.3节点JD-B有限元模型图3.4节点JD-C有限元模型节点模型的各杆件尺寸与结构整体分析中PKPM模型中的尺寸一致。钢结构 部件采用Q345GJ钢材。3.2建模的

6、基本假定考虑到节点各部件等强连接，有限元建模时未考虑焊缝、螺栓等细部构造处理。 相同材料的部件采用Merge成为整体。不同的材料之间采用Embed技术实现自由度 的耦合。3.3非线性方程组解法一般非线性方程组的求解方法大致可以归纳为三类：迭代法、增量法以及增量 一迭代法。根据本模型的基本性质，本文使用的求解器是Standard模块。该模块在 求解非线性问题时，将分析过程分为许多的荷载增量步，然后在每个增量步中，通 过虚位移原理建立平衡方程，并采用Newton-Raphson (默认)迭代法、修正牛顿法 或拟牛顿法，求出近似平衡解。因而该模块求解本质上采用的是增量一迭代法。ABAQUS/Stan

7、dard中的平衡迭代和收敛ABAQUS/Standard中针对不同问题提供多种算法，最常见的有通用法 (Static,General)和孤长法(Static,Riks)。经过比较，本文采用通用法计算。ABAQUS/Standard中的自动增量控制ABAQUS采用自动增量步长法，可以便捷而有效地求解非线性问题。所谓自动增 量步长，即若连续两个增量步少于5次迭代时收敛，则将增量大小提高50%,为避免增 量步过大,可设定最大增量步长。如果经过16次迭代求解仍不能收敛或者结果显示 出发散，即放弃当前增量步，并将增量步的值设置为原来值的25%,重新开始计算，利用 比较小的载荷增量来尝试找到收敛的解答。若

8、此增量仍小能使其收敛，将再次减小增 量步的值。在中止分析之前，允许至多五次减小增量步的值。3.4单元选取与网格划分有限元分析中，网格密度的控制十分重要，一般对并非关键部位，可以粗些，对于重点研究区域，应该适当细化。当然网格也并非越细越好。对一般弹性问题分 析或硬化材料的分析，网格越密,精度一般越好。但对于混凝土这种存在软化的材料, 未必如此。节点模型选取实体单元模拟，主要选用8节点缩减积分实体单元C3D8R 和四节点线性四面体单元C3D4,其具有良好的弹塑性分析特性且计算成本低。节点 区域采用网格尺寸约为40mm进行网格划分，节点几何模型及网格划分如下图所示。图3.5节点JD-A、JD-B模型

9、的网格划分Z图3.6节点JD-C模型的网格划分3.5材料本构关系钢材采用Q345GJ，其屈服强度为325N/mm2，弹性模量取为2.10X 105N/mm2, 泊松比为0.3.材料应力一应变关系为双折线模型，强化段斜率为0.1%。钢材在复 杂应力状态下的强度准则采用Mise屈服条件；非线性分析过程中采用等向强化准则。3.6边界条件与荷载施加模型采用简化的边界约束方式：JD-A:选取核心筒混凝土，剪力墙上下端部施加固支约束，在G-2, G-3端部 施加轴向力，在L-1，L-2端部施加梁端部弯矩。JD-B:选取横梁，即L-3，L-4端部施加固支约束，在G-1，G-4端部施加轴向 力。JD-C:选取

10、框架柱，即Z-1端部施加固支约束，在L-5端部施加梁端弯矩，在 G-5端部施加轴向力。根据ETABS整体结构分析计算结果，提取支撑力轴力最大的组合下的杆件内 力，将相应荷载施加在有限元模型的杆端。提取的荷载组合包括：100 风荷载：1.2 恒+0.7X 1.4 活1.0X1.4 风任100年小震弹性：1.2 （恒+0.5活）1.3水平小震风削件100年中震弹性：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水平大震各荷载组合下，节点模型JD-A，JD-B，JD-C的ETABS内力计算结果见表表3.1各荷载组合下节点模型JD-A的内力，单位（KN.m）何载组合构件

11、L-1L-2G-2G-31.2 恒+0.7 X 1.4 活1.0X1.4风左100年P14275.5810912.39M-6114.54-5539.611.2 （恒+0.5 活）1.3 水平小震风*100年P11557.369153.704M-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各荷载组合下节点模型JD-B的内力，单位（KN.m）何载组合构件G-1G-41.2 恒+0.7X 1.4

12、 活 1.0X1.4 风 100年P-16170.114275.581.2（恒+0.5 活）1.3 水平小震风包100年P-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各荷载组合下节点模型JD-C的内力，单位（KN.m）何载组合构件L-3G-51.2 恒+0.7X1.4 活1.0X1.4 风 100年P-16170.1M3905.6561.2 （恒+0.5活）土 1.3水平小震+0.2X1.4风左100年P-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收敛准则节点有限元分析过程中考虑材料非线性和几何非线性。迭代计算收敛与否主要 采取残差力与位移修正值判定。ABAQUAS程序默认的残差力容许值设置为整个荷载 阶段上作用于结构上的平均力的0.5%。在整个分析计算过程中，ABAQUAS自动计算 这个平均力；对于位移修正值，要求小于总的增量的位移的1%。只有同时满足上述 两个收敛准则，才认定该迭代步收敛。分析结果本节主要根据各节点模型在不同荷载组合下的应力云图，分析应力集中区域分布情 况，得出节点区最大应力值以及相应位置，分析节点

14、的应力水平，判断节点能否满 足性能化设计目标表4.1节点JD-A模型（型钢部分）的计算结果及分析荷载组合应力云图最大应力值7556)100风荷组合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最大应力值为 204MPa，出 现在支撑构件端 部汇交处。小震弹性中震弹性勿Mlg 丽71蓉)E+S.B49t+0S +E3 强#DB l-3.2 3

15、 5+QB I- *2.BSSt+0S -+2.33Lt+0eK +8.6 jfc+07 Mists网 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最大应力达到 179MPa，出 现在支撑构件端 部汇交处。最大应力达到 243MPa，出 现在支撑构件端 部汇交处。大震不屈服最大应力达 到 284MPa，出 现在支撑构件端 部汇交处。结论：JD-A支撑所受轴力及横梁所受弯矩在节点区域传递路径清晰，应力均匀，仅在斜向 支撑构件端部相交处有局部应力集中，但区域不大，且均未达到屈服强

16、度。表4.2节点JD-B模型（型钢部分）的计算结果及分析荷载组合应力云图最大应力值100风荷组合yB三二二g73 虬：1 土徐建 1.IM25CE 燧渺 S. Elf 07 装提潞芝缀:出 L.DfrQ7 LFMACE最大应力 值为 143MPa, 出现在支撑构 件端部汇交 处。小震弹性n-sz7-777 7 7777-_a 群用招挡医 I虹美多卷参瞻霆 414,-sriHs。Z-J70 f rinr.mr.lEzlEPJa 土7Srirrar,as.-a.ME.i 邮二二三a最大应力 达到 120MPa， 出现在支撑构 件端部汇交 处。中震弹性最大应力 达到 167MPa， 出现在支撑构 件

17、端部汇交 处。S我 Si 密如:治? !；：响E也砌鞘大震不屈服最大应力 达到 193MPa, 出现在支撑构 件端部汇交 处。站备备S?a7a7a7a7a7oa JseLe:始5关陪Lese阳罪的 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结论：JD-B支撑所受轴力在节点区域传递路径清晰，应力均匀，仅在支撑构件端部与横梁 相交处有局部应力集中区域，且均未达到屈服强度。表8.7-6节点JD-C模型（型钢部分）的计算结果及分析小震弹性最大应力达到130MPa，出现在支撑构件端部。RmncuMenlsfc r77-JNl-dT? 隽E三二一一汗大震不屈服塞亶 fa- T V z z T z .-Sil最大应力达到240MPa，出现在支撑构件端部。结论：JD-C支撑所受轴力在节点区域传递路径清晰，应力均匀，仅在支撑构件端部与框架 柱钢管相交处有局部应力集中区域，且均未达到屈服强度。结论经过上述分析，可以看出关键