预制混凝土框架结构非线性分析

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预制混凝土框架结构非线性分析
薛伟辰，张斌，姜东升
(同济大学建筑工程系，200092，上海)
摘要：采用商用软件ANSYS，建立了考虑材料非线性、预制混凝土结构拼缝、预应力以及边界条件等的非
线性有限元模型，对预制混凝土框架进行了非线性全过程分析。基于上海旗忠网球中心预制混凝土框架结构模
型的单调静力试验，对上述有限元模型进行了验证，有限元计算值与试验结果吻合良好。
关键词：预制混凝土框架结构；有限元分析；非线性；试验
中图分类号：TU378．4 文献标识码：A 文章编号：1000—4726(2012)07—0636—04
NONLINEAR FINITE ELEM ENT ANALYSIS OF PRECAST CONCRETE FRAM E STRUCTUICES
XUE Wei-chen，ZHANG Bin，JIANG Dong-sheng
(Department of Building Engineering，Tongii University，200092，Shanghai，China)
Abstract：The nonlinear FEM analysis of precast concrete Lame structures was carried out by commercial
software ANSYS．The nonlinear behavior of materials，assembly of precast concrete component，prestressing，and
boundary conditions were taken into account in the FEM mode1．Test of the precast concrete frame structures of
Shanghai Qizhong Tennis was conducted under monotonic static loads to verify the above model，and the
calculations were consistent with the test results．
Key words：precast concrete Lame structures；FEM analysis；nonlinearity；test
预制混凝土框架结构的主要优点是整体性好，能
够实现与现浇结构的“等同”设计，而且建筑立面丰富，
室内空间大、布置灵活。预制混凝土框架结构的应用范
围十分广泛，不仅适用于住宅，而且适用于公共建筑。
ANSYS是工程结构领域常用的商用有限元分析软
件，目前已在我国的高架预制混凝土桥梁、预应力混凝
土梁、混凝土空心板等有限元分析计算中得到较广泛
的应用。本文基于有限元程序ANSYS，建立了考虑材料
非线性、预制混凝土结构拼缝、预应力以及边界条件的
预制混凝土框架结构有限元模型，开展了预制混凝土
框架结构的非线性有限元分析，并通过上海旗忠网球
中心预制混凝土框架结构模型试验，对上述有限元模
型进行了试验验证。
1 有限元建模
1．1 单元和材料的选取
ANSYS软件中用于混凝土结构分析的有限元模型
主要有整体式、组合式和分离式三种。由于分离式模型
能模拟钢筋的实际分布，且可考虑钢筋与混凝土之间
收稿日期：2012—04—21
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2010BAK69B28)；国家自
然科学基金项目(50878167)；住房和城乡建设部研究开发项目
(2011一K2—21)：上海市科学技术委员会科研计划项目
(10dz1202200，10dz0583600，10dz0583700)
作者简介：薛伟辰(1970)，男，江苏扬州人，教授，博士生导师，e—mail：
xuewe@tongji．edu．cn．
的粘结滑移，故本文采用分离式有限元模型。
混凝土采用三维8节点等参元SOUD 65单元，其具
有分析拉应力区开裂和压应力区压溃的能力。每个单
元在8个积分点处进行开裂和压溃的检验，一旦混凝土
单元的主应力超过了混凝土的抗拉或抗压强度，单元
则被标记为开裂或压溃，且裂缝和压溃区的方向由相
应的主应力方向确定。钢筋单元采用2节点的LINK8单
元，每个节点具有三个方向的自由度。LINK8单元只能
承受拉应力和压应力，不能承受弯矩和剪力，但具有塑
性、膨胀、大变形和大应变等功能。另外，为了避免在加
载点与支座处混凝土单元应力集中而造成的计算不收
敛现象．在加载点与支座处分别设置了刚性垫块，用
SOLID 45单元模拟。
混凝土材料采用多折线本构关系和随动强化准
则，其中应力一应变本构关系按《混凝土结构设计规范》
(GB50010-2010)取用。SOLID65单元的破坏准则为：
一S≥0(式中F为应力组合，S为破坏曲面)，采用
Willam&Warnke五参数破坏准则。刚性垫块采用线弹
性材料。普通钢筋采用双折线型理想弹塑性模型和随
动强化准则，其应力一应变关系为：
当 ≤ 时， s= (1)
当 s> ，时， (2)
式中：和分别为钢筋的应变和屈服应变，和
分别为钢筋的应力和屈服应力，E 为钢筋的弹性模
量
2012年7月薛伟辰，等：预制混凝土框架结构非线性分析 ·637·
1．2 拼缝的模拟
为了使预制混凝土结构中各构件之间完全接触，
以避免应力集中并且为了防渗，通常在预制构件各拼
缝处灌浆(图1)。由于拼缝处混凝土与构件之间的粘结
力较小，同时为了使拼缝单元节点与预制构件单元节
点的自由度数一致，拼缝仍选用SOLID65单元，但在其
混凝土的W—W破坏准则中。将混凝土抗拉强度设为
0．为预制构件混凝4-@抗拉强度标准值)，即该处
混凝土出现一定拉应力后即退出工作。
图1 拼缝示意
1．3 预应力的模拟
1-3．1 预应力筋单元
混凝土结构中有粘结预应力筋的工作机理与非预
应力筋类似，若不考虑与混凝土间的粘结滑移，则可通
过预应力筋单元与相应位置处混凝土单元的共用节点
来模拟共同工作。若考虑与混凝土之间的粘结滑移，则
须在预应力筋单元与混凝土单元之间设置粘结单元。
而在无粘结预应力结构中，预应力筋在纵向可相
对周围混凝土发生纵向滑动，但其纵向总变形与相应
截面高度处的混凝土总变形一致。为此采用自由度耦
合法来建立无粘结预应力筋单元。如图2所示，将结构
内部的预应力筋单元节点(如图中的节点 )与其邻近
的混凝土单元节点(如图中的节点 )的与厕自由度
耦合。在梁的两端部采用SOLID 45建立钢板单元，耦合
钢板单元节点D与预应力筋端部节点C的，y和Z的3个
自由度。
图2 无粘结预应力混凝土有限元模型
1．3．2 预应力筋初始应变
在有限元分析中，预应力可通过给预应力筋施加
初应变来建立。由于结构在预应力作用下会发生弹性
压缩，在程序中输入的初始应变须考虑这部分弹性压
缩的影响。具体计算方法如下：
p= 0(1-e~a1一a,2)Ep (3)
式中：
al=ErA (n3m+03锄) (4)
a~=Egl (n， +锄鸥) (5)
a3=E (0．5— E(0．5 — +e)A 一(0．5 — 一e d] (6)
a4=Egtc十E +E (7)
=(0．5h E u)+eErA (8)
06=eEcA +(0．5 —6+e)E I广(0．5 —6一e)E d (9)
式中：，A ，e分别为预应力筋的弹性模量、面积、
偏心距；A ，A 分别为梁上部和下部的非预应力筋面
积；为非预应力筋的弹性模量；A。，，，分别为混凝
土梁的横截面面积、梁高、保护层厚度、弹性模量。
1．4 结构模型选取及边界条件
混凝土结构的实体有限元模型能较准确地模拟构
件中钢筋位置及构件的几何形状，并能反映钢筋应力、
混凝土应力及裂缝发展规律。但实体模型的单元数较
多，计算速度较慢，在应用上有一定的局限性。因此，在
实体模型的分析计算中，对于具有对称性的结构，往往
利用对称条件针对对称部分建立有限元实体模型进行
分析。
若在笛卡儿坐标中结构关于某平面对称。则可按
对称面上反对称位移为零的原则约束其对称面(即边
界)上节点相应的自由度。若在柱标系中结构沿圆周对
称结构，则可选取其对称部分并约束其边界面上的自
由度(图3)。
镑
图3 沿圆周对称结构示意
1．5 结构约束条件的变化
在预制混凝土框架结构中，往往在完成整体结构
拼装后，现浇部分节点或构件来增加结构的整体性，此
时预制结构的支座约束形式将发生改变，可采用变形
支座法来实时模拟。
图4(a)和图4(b)分别为一预应力混凝土简支梁在预
应力张拉前后的梁变形示意图。在张拉完预应力筋后．