型钢混凝土框架结构滞回性能有限元分析

任亚平

本文全方位的应用ANSYS 软件中实体单元建立起关于型钢混凝土框架的最终结构模型，同时在水平单调以及循环加载这两个条件下对其进行相应的受力分析工作。通过有限元分析，最终得出型钢混凝土框架结构在应用的过程当中具有较大的承载能力，同时具有很好的延展性。整个结构在循环载荷作用下所得到的滞回曲线饱满且呈现梭形，在实际应用中体现出良好的耗能性。本文得出的最终结论对型钢混凝土框架结构在应用中所具有的受力性能研究有一定的参考价值。希望通过本文可以为相关工作提供一些参考。

随着世界经济的不断快速发展，世界各国的房屋建筑当前正在不断增高的过程当中，建筑企业对建筑物的具体造型投入了大量的心血。这些变化使建筑物在实际应用中的复杂性进一步加强，从而使其抗震性能得不到有效的保障。在西方一些发达国家中，在进行结构设计的时候大多数都是通过钢结构或钢与混凝土的组合结构来使这些问题得到有效解决。而国内经过长期的工程实践后，发现型钢混凝土的组合结构在具体应用时不仅其安全性能能够得到充分的保证，而且还能充分适应现代建筑对结构的具体需求。因此这种结构在我国各类建筑工程中得到了极其广泛的应用。

一、研究现状

为了满足我国人口居住的需求，国内开始出现一些超高层建筑。要想使超高层建筑的安全性能得到保障，就必须要进一步加大型钢混凝土（SRC）结构的应用力度。为此，相关学者对其展开了全方位的研究，并且取得了一些突出的成果。

二、型钢混凝土框架结构有限元分析模型

1.型钢混凝土框架结构模型

为了使研究工作能够对工程实践展开指导，本文主要对型钢混凝土框架结构分别在水平单向加载以及循环加载下的受力性能进行研究。在对其加载时，为框架柱竖向加0.4 Ny的轴向压力。具体设计参数如下所示：整个模型采用三跨两层形式，其具体宽度分别为6.0m、2.7m、6.0m，层高为4.2m 框架。具体模型如图1 所示。

图1 试件实体模型

型 钢 的 强 度 设 定 为Q235， 松 比 为0.22，混 凝 土 的 强 度 则 为C40，，泊松比为0.2；为了计算的方便，在实际计算中不对型钢与混凝土之间存在的相对滑移问题进行考虑。

2.有限元模型建立

考虑到混凝土的实际情况，为其采用SOLID65 单元；而对于型钢而言，则为其采用SOLID45 单元；钢筋由于其实际性能为其采用PIPE20 单元。根据研究物体的实际情况，本文采用映射单元网格划分模式对相应的有限元模型进行划分，将基本单元尺寸定义为120mm。

在定义模型加载方案时，考虑到工程实际以及计算的方便，将框架柱脚和地面视为理想刚接结构。而在梁柱的节点位置处对有限元模型中节点平面外的自由度进行有效的约束。在加载循环载荷时分别按照方式进行进行加载，直到试件内部结构产生破坏。

三、型钢混凝土框架结构在水平载荷作用下有限元计算结果分析

1.单调加载曲线结果分析

当对试件进行单调加载时，相应的载荷位移曲线如图2 所示。通过对曲线进行全面的研究后不难发现，在试件实际加载过程中构件的整体受力反映可以将其划分为三个阶段：分别是弹性阶段、弹塑性阶段以及塑性破坏阶段。

图2 BASE试件单调加载荷载-位移曲线

首先当位移的具体数值在16mm 之前，BASE 试件将会一直处于弹性阶段，反力在这一过程中将会随着位移值的增加而呈现直线上升的趋势；其次，当位移的具体数值大于16mm 之后，试件形状开始产生变化，进入弹塑形阶段。随着施加压力的进一步加大，结构反力的具体数值的增大程度逐渐减缓；最后，当位移达到102mm 及以上时，构件开始进入塑性破坏阶段。在这一过程当中，位移加载将会持续进行，而相应的反力则在出现小幅波动之后，呈现突然下降的趋势。

2.循环加载曲线结果分析

图3 BASE试件循环加载滞回曲线

对于构件而言，在对其进行循环加载时，最终得到的滞回曲线如图3 所示。通过相关理论不难得出结构构件的屈服位移值为，屈服载荷为从图中不难看出，构件在循环载荷作用下，可以完成3.5 Δy 位移载荷的计算工作。随着位移载荷的持续增加，整条滞回曲线将会不再保持直线形状而呈现出梭形的形状。在对应力进行卸载时，构件的整体残余应变不大。然而结构的整体刚度退化幅度非常明显。这一情况充分表明该节点已经开始进入了弹塑性工作区段。一旦节点的水平载荷到达构件的极限载荷之后，结构的整体变形程度将会变得十分严重。同时构件的刚度以及强度退化速度也不断加快，这时滞回曲线将会整体呈现出梭形的结构。一般而言钢筋混凝土结构在其相应的承载能力达到极限之后，将会呈现出迅速下降的趋势，位移的整体延续性系数将会小于2.0。这些结果充分表明，基本事件计算的最终结果符合工程实践。

四、结语

第一，根据有限元分析的最终结果显示，型钢混凝土的整体框架结构在水平单调载荷作用之下，其具有的承载力相对来说比较大。而且在实际应用中其相应的延性指数接近或大于4.0，这一数值充分体现出其延性可以满足工程实践的需求。

第二，型钢混凝土框架结构在水平循环整合作用下所得到的最终滞回曲线整体形状较为饱满，而且呈现出梭形的结构，并没有明显的压缩现象，因此其耗能性能相对而言较为良好。

第三，型钢混凝土框架结构在水平载荷的作用下随着载荷数值的不断加大，整体结构受力阶段大致可以分为弹性阶段、弹塑性阶段以及塑性破坏阶段。