某斜撑转换结构复杂节点的实体有限元分析

某斜撑转换结构复杂节点的实体有限元分析

摘要：随着城市的发展，越来越多复杂多元化的建筑出现在我们面前。因建筑

功能的多样化，对使用空间的高要求，常出现底部需要大开敞空间导致柱子或剪

力墙无法落地的情况。为满足建筑的要求，结构设计中常用转换来解决这类问题。构件转换常涉及到复杂的节点连接，常规的结构设计分析无法反应出节点的受力

状态，需要进行精细化的实体有限元分析。本文就深圳某商业的斜撑转换节点为例，用ABAQUS进行实体有限元分析。

关键词：斜撑转换；实体有限元；应力分布

引言：结构设计中常用的转换形式有厚板转换、转换梁转换、斜撑转换等，

其中斜撑转换的优点是传力直接。在结构整体计算时，梁、柱、斜撑等构件被简

化为一维单元，一维单元无法准确模拟构件连接处的真实受力情况。为了验证结

构设计是否满足规范对于强节点弱构件的要求，对构件采用三维实体单元，进行

有限元分析，通过应力分布和屈服范围分布判断节点的可靠性。

一、项目简介

某商业项目，在七层～八层连廊两端各设置了一榀斜撑转换，桁架有两层高，高度9.6m，跨度21m，主要由两根斜撑构成，支撑上部楼层柱，斜撑截面

H1000mmx600mm。如下图所示。

二、ABAQUS模型建立

采用ABAQUS软件对节点进行应力分析。混凝土和型钢采用了二次四面体修

正单元（C3D10M），钢筋网采用Truss单元（T3D2）。网格的划分会直接影响到

节点的分析结果，畸变的网格往往会得到失真的结果，本项目的单元网格采用细

分网格的网格实验方法以确定合适的网格。型钢及钢筋采用embedded region与

混凝土连接，不考虑型钢及钢筋与混凝土界面间的粘结滑移。

在ABAQUS模型中，建立与受荷面相耦合的参考点，将力与弯矩施加在参考

点上，避免直接加载产生的应力集中现象。提取YJK软件中的柱端及梁端集中力

及集中弯矩，并施加在在梁端及柱顶，以模拟节点区域的弯矩剪力及轴力。ABAQUS模型中的构件截面尺寸及钢筋面积均采用YJK软件计算结果进行确定。

三、分析结果

（1）小震下分析结果

由于节点根部采用固结节点，在根部出现了应力集中。应力集中通常会在很

小的一个范围内迅速降低到材料设计值以内，且真实构件并非真正固结，所以结

果中的应力集中属于失真的模拟，并不会影响结果的准确性。故不考虑根部的应力，只关注节点区域范围的应力。

由图1结果可知，不考虑应力集中的数值，混凝土最大压应力为19MPa，型

钢最大应力为150MPa，均未超出材料的强度设计值，可以判断节点及各构件均

满足小震弹性的性能要求，满足设计要求。

型钢Mises应力150MPa 混凝土最大压应力19MPa

图1小震作用下结果

（2）中震下分析结果

由图2结果可知，设防地震工况组合下，混凝土最大压应力为23MPa，型钢

最大应力为246MPa，均未超出材料的强度设计值，可以判断节点及各构件均满

足中震弹性的性能要求，满足设计要求。

型钢Mises应力246MPa 混凝土最大压应力23MPa 混凝土最大剪应力3.6MPa

图2 中震作用下结果

（3）大震下分析结果

由图3结果可知，罕遇地震工况组合下，混凝土应力，型钢应力小于相应材

料的强度标准值，可以判断节点及各构件均满足罕遇地震下不屈服的性能要求，

满足设计要求。

型钢Mises应力270MPa 混凝土最大压应力29MPa 混凝土最大剪应力

3.7MPa

图3 大震作用下结果

结束语

通过ABAQUS对斜撑转换处节点的实体有限元分析结果可知，节点可以满足

设定的性能目标。从型钢Mises应力图可以明显的看出，节点处的应力较节点区

以外构件应力相比更小，说明该节点设计可以满足规范强节点弱构件的设计要求。

通过精细化的实体有限元分析可以模拟节点及构件真实的受力情况，可以得

到各工况下的应力水平，在涉及到复杂的节点设计时，是对常规结构分析的有效

补充手段。通过节点分析可以有针对性的加强或优化各构件，并完善节点做法。

参考文献：

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