板柱節(jié)點(diǎn)的有限元分析

王四江，朱 珊

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春130026）

鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)體系是現(xiàn)代建筑中被廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，它的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式簡單，傳力途徑短捷，能充分利用空間資源增加房間凈高，減少建筑物的層高，從而降低建筑物的造價(jià)，同時(shí)該體系大大簡化了施工支模及綁扎鋼筋工作，具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，鋼筋砼板柱結(jié)構(gòu)體系形式簡單，傳力途徑短捷可靠，房間分隔靈活，可兼顧多種使用功能的要求，另外，這種結(jié)構(gòu)體系由于不需設(shè)梁，可降低樓層層高，在與框架同高度時(shí)可增加層數(shù)，因而具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

板柱結(jié)構(gòu)體系中，板直接支撐在柱上。荷載由板傳到柱，節(jié)點(diǎn)區(qū)域的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力高度集中，很容易發(fā)生脆性破壞。如果某一節(jié)點(diǎn)處發(fā)生破壞，其傳遞的荷載將由相鄰節(jié)點(diǎn)承擔(dān)，而后者將不勝負(fù)荷。板柱節(jié)點(diǎn)的連鎖破壞可能造成整塊樓板塌陷，當(dāng)下層樓蓋不能承受從上層塌落下來重物的沖擊時(shí)，也將發(fā)生破壞，最終釀成災(zāi)難。因此，樓蓋體系中板柱節(jié)點(diǎn)是抗沖切和抗震的薄弱環(huán)節(jié)，板柱節(jié)點(diǎn)工作性能的好壞是決定整個(gè)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的關(guān)鍵[2]。

1 模型

鋼筋混凝土有限元模型根據(jù)鋼筋的處理方法主要分為3種，即分離式、整體式、和組合模式[3]。

1.1 分離式模型

把混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理，即混凝土和鋼筋各自被劃分為足夠小的單元，兩者的剛度矩陣是分開來求解的，考慮到鋼筋是一種細(xì)長材料，通?？梢院雎云錂M向抗剪強(qiáng)度，因此可以將鋼筋作為線單元處理。鋼筋和混凝土之間可以插入黏結(jié)單元來模擬鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)和滑移。

1.2 整體式模型

將鋼筋分布于整個(gè)單元中，假定混凝土和鋼筋黏結(jié)很好，并把單元視為連接均勻材料。與分離式不同的是，它求出的是綜合了混凝土與鋼筋單元的剛度矩陣；與組合式不同之處在于它不是先分別求出混凝土與鋼筋對單元?jiǎng)偠鹊呢暙I(xiàn)然后再組合，而是一次性求得組合的剛度矩陣。

1.3 組合式模型

組合式模型又分為2種：一種是分層組合式，這種模型在桿件系統(tǒng)，尤其是鋼筋混凝土板殼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很廣，在橫截面上分成許多混凝土層和若干鋼筋層，并對截面的應(yīng)變作出某些假設(shè)，這種組合方式在鋼筋混凝土板和殼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣；另一種組合方式是鋼筋混凝土組合單元，平面問題中主要有帶鋼筋的四邊形單元，空間問題中主要有帶鋼筋模的各種單元。

2 板柱節(jié)點(diǎn)ANSYS有限元模型的建立和求解

2.1 板柱節(jié)點(diǎn)有限元模型

本文中的板柱節(jié)點(diǎn)模擬采用分離式模型，其模型如圖1所示。

圖1 板柱節(jié)點(diǎn)有限元模型

2.2 板柱節(jié)點(diǎn)的加載

2.2.1 加載方案

加載方案如表1所示。

表1 加載方案

2.2.2 加載裝置

加載示意圖如圖2所示。

圖2 加載示意圖

圖2中各部分說明如下：

①為自平衡剛架，構(gòu)件置于此剛架中，剛架提供加載的反力。

②為500kN的液壓千斤頂，設(shè)置在柱的正上方，在柱頂施加豎向荷載。

③為200kN的液壓千斤頂，對樓板施加豎向荷載。試驗(yàn)中加載點(diǎn)設(shè)在框架節(jié)點(diǎn)板邊，每個(gè)加載點(diǎn)上下各設(shè)一個(gè)千斤頂，用于往復(fù)加載，以模擬豎向地震作用。

④為節(jié)點(diǎn)試件。

⑤為混凝土墊塊。

⑥為H型鋼，用來墊千斤頂和使所加荷載變?yōu)榫€荷載。

⑦傳感器，接測力儀，以便對荷載進(jìn)行控制。

⑧位移計(jì)，用來記錄樓板位移。通過液壓千斤頂對柱子兩邊板施加10kN的力。

加載的有限元模擬圖如圖3所示。

圖3 板柱節(jié)點(diǎn)加載有限元模擬圖

2.3 有限元模擬結(jié)果

有限元的計(jì)算主要有位移圖、應(yīng)力圖還有鋼筋應(yīng)力圖和裂縫云圖，通過這些云圖，我們可以清楚地看到板柱節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的受力位移情況。本文的結(jié)果云圖如圖4～圖7所示。

圖4 Z方向位移圖

圖5 Z方向應(yīng)力圖

圖6 裂縫發(fā)展云圖

圖7 鋼筋應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

通過有限元軟件ANSYS的模擬，我們得出了板柱節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變和裂縫云圖，我們可以根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行有目的地增加配筋，增加了板柱節(jié)點(diǎn)的極限承載能力，使結(jié)構(gòu)更安全。

[1]許巍，梁書亭，蔣永生.新型梁柱一板柱組合結(jié)構(gòu)（住宅）體系的抗震性能分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，31（6）：9－13.

[2]馬云昌，呂西林.鋼筋混凝土板柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22（4）：49－54.

[3]李圍，葉欲明，劉春山，等.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2007：76－77.