框架结构整体平移托换节点有限元分析论文

框架结构整体平移托换节点有限元分析

摘要：框架整体平移中框架柱的托换节点设计是移位技术的关键。目前，四面包裹式托换由于其自身力学性能优越且施工方便，是国内平移工程中普遍应用的框架柱托换方式。本文基于课题组托换节点试验研究，利用abaqus有限元分析软件，采用混凝土损伤塑性模型，对钢筋混凝土托换节点进行非线性有限元分析，得到托换节点的变形和受力曲线，并与试验结果进行对比。结果显示，有限元分析可以很好地模拟出托换节点的破坏过程。

关键词：托换节点；有限元分析；弹塑性损伤模型；

中图分类号： [o242.21]文献标识码：a 文章编号：

建筑物整体平移技术是指在保持房屋整体性和可用性不变的前提下，将其从原址移到新址，它包括纵横向移动、转向或者移动加转向［［1］。其中，托换是建筑物平移技术的关键，它实现了建筑物切断和平移过程中将结构荷载有效地传递到下轨道梁上去。在框架结构平移中，随着房屋层数的增加和柱距的加大，对托换结构设计的要求也越高。因此对托换节点受力性能的研究是十分必要的。本文首先基于课题组托换节点试验研究［2］，利用abaqus有限元分析软件，对钢筋混凝土托换节点进行非线性有限元分析，与试验结果进行对比。

1 试验概况

课题组共设计了16组试件，具体可参见文献［2］。在试验过程中，将预留的混凝土立方体试块在压力试验机上加载,测得加载试

验时混凝土的立方体抗压强度。绑扎托换梁钢筋时，留出相应钢筋试样，并做单向拉伸试验，测得钢筋的力学性能。本文仅选取受弯破坏节点jd9和剪切破坏节点jd12进行有限元分析，其相关设计参数可参见文献［2］。

2 托换节点有限元分析

本文利用有限元软件abaqus,对托换节点jd9和jd12进行非线性分析。钢筋混凝土采用分离式建模形式：混凝土采用c3d8r单元，钢筋采用t3d2单元,二者采用embedded命令连接。结合面处混凝土单元尺寸为0.02m，其余混凝土单元尺寸为0.04m，钢筋单元尺寸为0.04m。由于试验中梁柱结合面滑移量很小，因此在模拟中结合面处采用不滑移不脱开的连接形式。

试验加载中，采用滚轴作为支座。在有限元模拟中，为避免模型产生刚体位移，在支座处采用简支模拟。为防止受力过程中混凝土单元出现局部应力集中，在支座处和柱端加载处加一钢垫板，其弹性模量远大于混凝土弹性模量，钢垫板与混凝土单元采用tie命令绑定。模型采用轴心力加载方式，加载力大小同试验中节点的破坏荷载。

2.1模型参数

在模拟中，考虑到托换节点中的钢筋主要受单调荷载作用，采用abaqus提供的等向弹塑性强化模型［3］。计算中采用的钢筋的弹性模量为2×105mpa，泊松比为0.3。钢筋型号、屈服强度，极限强度和伸长率见文献［2］。当钢筋未达到屈服强度时，其应力-应变

关系为一条过原点且斜率为弹性模量的直线；当钢筋应力超过其屈服强度时，直线斜率减小。混凝土采用损伤塑性模型［4］。计算中混凝土的立方体抗压强度来自文献［2］中提供的试验结果。混凝土的泊松比取0.2。梁混凝土的初始弹性模量取3.6×104mpa，抗拉峰值应力取2.85mpa，抗压峰值应力取38.5mpa。柱混凝土的弹性模量取3.35×104mpa，抗拉峰值应力取2.51mpa,抗压峰值应力取29.6mpa。混凝土在静力作用下的单轴应力-应变关系根据混凝土结构设计规范(gb50010-2010)附录c提供的公式计算获得［4］。2.2 与试验结果对比

有限元计算得到的托换节点中托换梁跨中荷载-位移曲线与试验结果对比如图1所示。试验中，试件jd9在120kn荷载作用时，托换梁跨中出现受弯裂缝，此后试件变形相对于荷载成非线性增加；240kn以后，托换梁的变形迅速增大；当荷载达到285kn时，百分表无法稳定。由计算得到的变形图中可以明显看出托换节点的三个工作阶段：在125kn之前，模型基本处于弹性工作阶段；当荷载达到125kn~225kn，变形量相对于荷载呈非线性增加；225kn之后，变形量较前两阶段发展迅速。

试件jd12在250kn时，托换梁支座处产生初始裂缝；当荷载为250kn~800kn时，初始裂缝发展为斜裂缝，但此阶段托换梁的变形较小；在800kn时托换梁产生冲切型腹剪斜裂缝，此裂缝出现后托换梁变形量发展迅速，最终导致试件在1500kn时突然剪切破坏。从计算变形图中可以看出，jd12在荷载达到750kn之前变形很小，

且基本处于线性阶段。其后变形曲线出现拐点，变形量的发展较前一阶段明显加快。

图1a jd9托换梁跨中荷载-位移关系对比图1b jd12托换梁跨中荷载-位移关系对比

3 结论

本文采用混凝土损伤塑性模型，对钢筋混凝土托换节点和托换梁进行非线性有限元分析。通过对比试验结果，可以得出以下结论：(1) 通过对比试验和有限元分析得到的试件变形曲线和钢筋应变曲线，说明本文采用的混凝土模型和钢筋模型可以比较有效的模拟出托换节点的破坏过程。模型开裂、进入破坏阶段对应的荷载以及最终破坏荷载与试验结果吻合较好。

(2) 通过对比托换节点和其托换梁的变形曲线，说明托换节点具有空间效应：在相同条件下，托换节点的变形要小于相同条件下托换梁的变形。

参考文献

［1］张鑫，贾留东，魏焕卫，夏风敏.建筑物平移与纠倾技术［m］.北京：中国水利水电出版社，

2008.4.

［2］张鑫，贾留东，夏风敏，王恒，谭天乐，司道林，李玉平.框架柱托换节点受力性能试验研究［j］.建筑结构学报，

2011,32(11):89-96

［3］ abaqus analysis users’ manual.abaqus inc.2011

［4］中华人民共和国国家标准.gb50010-2010混凝土结构设计规范［s］.北京：中国建筑工业出版社,2010.