混凝土框架柱塑性铰区抗剪性能非线性有限元分析

摘要

为了保证框架结构有足够的延性,《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)要求框架柱的设计遵循“强柱弱梁”的原则。然而实际结构中,完全避免框架柱中出现塑性铰十分困难,允许框架柱端部出现塑性铰,但又不能形成柱铰型破坏机构,是一个十分现实而又未得以很好解决的课题,故深入研究框架柱塑性铰区域的剪切性能十分必要,以保证柱端塑性铰良好的变形性能,避免出现后果严重的脆性破坏。本文在试验研究的前提下,利用ANSYS对混凝土框架柱塑性铰区的抗剪性能进行了非线性有限元分析。本文主要的研究内容有:
　　 1.结合前期钢筋混凝土框架柱塑性铰区抗剪承载力的试验研究,建立了钢筋混凝土框架柱的有限元模型,针对混凝土的特性,采用了SOLID65单元,钢筋采用LINK8单元,分离式建模,破坏准则采用Willam-Warnke五参数破坏准则,混凝土的本构关系采用了多线性随动强化模型(KINH),钢筋的本构关系采用了双线性随动强化模型(BKIN)。为了避免上梁在水平方向的转动,将上梁上端表面的所有节点在竖直方向耦合,以模拟柱横截面平截面假定,从而保证塑性铰出现在柱端。
　　 2.在有限元建模的基础上,对9个混凝土框架柱塑性铰区进行了计算分析,得到了各个构件的骨架曲线、框架柱塑性铰区各个工作阶段的应力云图和破坏时的裂缝分布图。将以上计算结果与试验结果进行对比,结果表明数值计算和试验结果符合较好。说明了有限元模型建立的正确性以及有限元计算结果反映结构力学特性的通用性。
　　 3.在试验研究的基础上,利用已经校验过的混凝土框架柱塑性铰区有限元模型,详细分析了轴压比、剪跨比和配箍特征值等对混凝土框架柱塑性铰区受剪性能的影响,给出了轴压比的最低限值,并提出当剪跨比为2.4时配箍率、轴压比和延性系数之间的变化关系。