结构工程论文轻钢加层中不同连接节点的抗震性能有限元分析.doc

结构工程论文轻钢加层中不同连接节点的抗震性能有限元分析.doc 分类号: 密级: U D C: 编号: 学 位 论 文 轻钢加层中不同连接形式节点的 抗震性能有限元分析 指导教师姓名: 申请学位级别:硕 士 学科、专业名称: 结构工程 论文提交日期: 2012年11 月 论文答辩日期: 2012年12月 学位授予单位: 答辩委员会主席: 评 阅 人: 2012 年 11 月 Thesis Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree of International Trade Finite Element Analysis on the Seismic Resistant Property of the Different Form of Connection Node of the Adding Steel Stories on the Existing Building by November 2012 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定:学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务;学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流;学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 日期: 导师签名: 日期: 轻钢加层中不同连接形式节点的抗震性能有限元分析 摘 要 对于在旧有建筑物上进行加层改造的工程，依靠其技术和经济上的特有优势，在既有建筑物改造活动中占有越来越大的比重。加层改造后的梁柱节点无疑是建筑物中关键的部位，其直接影响到加层后整体结构的受力性能。因此，对于轻钢加层中不同连接形式节点的抗震性能的研究，有利于了解节点的力学性能，有利于改进节点形式的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。无论在相关理论研究方面还是在相应的工程实践中，对于节点抗震性能的研究都具有重要的意义和价值。 本文前期试验中设计了四个轻钢加层不同连接形式节点的实体模型，这些试验构件均为在原有的混凝土柱子上方通过化学植筋的方法加入工字钢形的钢柱。新加钢柱与原有混凝土柱子的连接形式不同，其连接形式分别为:铰接—U型钢箍加固、刚接—碳纤维加固、刚接—钢板加固和纯刚接。在试验过程中，分别给这四个实体模型施加低周反复荷载作用，得出其滞回曲线等相关参数，通过这些参数可以分析它们抗震性能的优劣。 本文在上述试验的基础上，以试验中抗震性能最优的节点实体模型为样本，通过大型有限元分析软件ANSYS 建立有限元节点的模型，确定模型中不同单元的形式、定义各个单元的材料属性、设置单元的实常数、选取适合的屈服准则。使用节点法建立了所有钢筋单元，再使用实体建模法建立了混凝土单元，对其进行单元划分，施加约束条件，加载并求解。 本文对所建节点有限元模型在低周反复荷载作用下的受力破坏过程进行了全程模拟，把节点有限元模型的分析结果与节点实体模型的试验结果进行了比较，得出了有限元分析结果和试验所得结果基本相符的结论，从而证明了本文所建的节点有限元模型基本能够正确地反映出节点的实际受力情况。在这个节点模型的基础上，通过改变节点的连接形式，得出新的节点有限元模型，再对新建模型进行低周反复加载模拟试验，得出滞回曲线等相关参数，并与原有模型进行对比，进而得出所建节点有限元模型的抗震性能的差异。着重分析不同连接形式节点模型在低周反复荷载作用下耗能性能与延性等抗震性能指标的差别。 关键词:轻钢加层 节点 低周反复荷载 有限元分析 滞回曲线 抗震性能 Finite Element Analysis on the Seismic Resistant Property of the Different Form of Connection Node of the Adding Steel Stories on the Existing Building ABSTRACT To the work of adding steel stories on the existing building are occupying an increasing proportion in the activities of renovating the existing building by their unique advantages on its technical and economic. The beam-column ioints after renovation of adding steel stories on the existing building is undoubtedly the key parts of building which have added steel stories. Therefore, the research of the seismic performance of the different form of connection nodes in the additional layer is usefull both in understanding the mechanical properties of the node and to improve the design of the nodes in the form. No matter in the relevant theoretical research or in the engineering practice, the research of the seismic performance of the node have great significance and value. In the early experiment of this dissertation there are four designs of the solid model of the different form of connection node of the adding steel stories on the existing building, all of this components in the experiment sre added in steel columns which are i-beam at the top of the existing concrete columns by the method of chemical anchorage. The connection form of the new steel columns and the original concrete columns are different, the connection form are Articulated-U steel hoop reinforcement, Rigid-carbon fiber reinforced, Rigid-steel reinforcement and Rigid. In the experiment, the low period repeat load are applied to the four solid model, we can get their hysteretic curves and other related parameters. We can analyze the pros and cons of their seismic performance by these parameters. In this dissertation, on the basis of the above-mentioned experiment, I use the node solid model which have a optimal seismic performance in the experiment as an sample, using ANSYS, the finite element analysis software to establish the finite element node model, establish the form of the different model units, definite the material properties of every units, set up real constant, select a suitable yield criterion. All the reinforced units are set up by the way of node, the concrete units are set up by the way of solid modeling, determining the grid, seting the conditions, loading and solving. In this dissertation, a whole simulation of the forced and destroyed process for the node model which are under low period repeat load have been done, a comparison between the result of the finite element node model with the result of the node solid model, a conclusion that the result of the finite element analysis and the result of the experiment are consistent have been obtained, thus it can prove that the finite element node model can reflect the force situation of the node. On the basis of this node model, a new node finite element model can be drawed by changing node connection, then a low period repeat load are applied to the new node medel, its hysteresis curves and other related paramenters have benn obtained, comparing it with the original model, and the differences of the seismic performance between these finite element node models have been obtained. The differences of the ioint’s earthquake resistance such as dissipative capacity and ductility performance of the different form of connection node models which are under low period repeat load is analyzed. Key words: light-weight steel adding storey, node, low period repeat load, finite element analysis, hysteresis curve, seismic resistant property 目录 第一章 绪论 ..................................................................................... 10 1.1 研究背景 .............................................................................................................. 10 1.2 研究意义 .............................................................................................................. 11 1.3国内外研究的现状及存在问题 ............................................................................... 12 1.3.1国外概况......................................................................................................... 12 1.3.2 国内概况 ........................................................................................................ 15 1.4 研究的主要内容 .................................................................................................... 18 1.4.1课题描述......................................................................................................... 18 1.4.2 课题的主要研究内容 ...................................................................................... 19 第二章 有限元分析的理论基础 ....................................................... 20 2.1 概述 ..................................................................................................................... 20 2.2 有限元方法的分析步骤 ......................................................................................... 21 2.2.1 离散连续体 .................................................................................................... 21 2.2.2 单元位移函数的选择 ...................................................................................... 21 2.2.3 单元特性分析 ................................................................................................. 21 2.2.4 整体分析 ........................................................................................................ 23 2.3 对于非线性方程组的求解方法 ............................................................................... 23 2.3.1迭代法 ............................................................................................................ 23 2.3.2 增量法 ........................................................................................................... 24 2.3.3 混合法 ........................................................................................................... 24 2.4 收敛准则 .............................................................................................................. 25 2.5 ANSYS有限元分析.................................................................................................. 26 2.5.1 概述 ............................................................................................................... 26 2.5.2 ANSYS软件建模需要考虑的因素 ...................................................................... 26 2.5.3 ANSYS求解的基本步骤 .................................................................................... 27 2.6 本章 小结 学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结 .............................................................................................................. 28 第三章 钢混柱节点低周反复荷载试验 ............................................ 29 3.1 试验概况 .............................................................................................................. 29 3.1.1 试验构件的设计 ............................................................................................. 29 3.1.2 材料特性 ........................................................................................................ 31 3.1.3 试验装置及加载设备 ...................................................................................... 31 3.2 试验加载过程简介 ................................................................................................ 33 3.2.1 低周反复加载制度 .......................................................................................... 33 3.2.2 低周反复试验 ................................................................................................. 33 3.3 试验结果 .............................................................................................................. 34 3.3.1 试验现象简述 ................................................................................................. 34 3.3.2 荷载—位移曲线 ............................................................................................. 34 3.3.3 骨架曲线 ........................................................................................................ 35 3.4 本章小结 .............................................................................................................. 35 第四章 有限元模型的建立 .............................................................. 37 4.1 节点模型的选取 .................................................................................................... 37 4.2 有限元节点模型的理论基础 .................................................................................. 37 4.2.1 混凝土单元的相关理论基础 ............................................................................ 37 4.2.2 型钢柱中钢板单元的相关理论基础 ................................................................. 40 4.2.3钢筋单元的相关理论基础 ................................................................................ 41 4.2.4加固钢板单元的相关理论基础 ......................................................................... 41 4.3 单元实常数的设置 ................................................................................................ 42 4.4 材料的本构关系 .................................................................................................... 43 4.4.1 混凝土的本构关系 .......................................................................................... 43 4.4.2 钢筋的本构关系 ............................................................................................. 44 4.4.3加固用钢板的本构关系.................................................................................... 45 4.5 其它材料参数的设置 ............................................................................................. 46 4.5.1 混凝土及钢材的弹性模量、泊松比 ................................................................. 46 4.5.2 混凝土的破坏准则 .......................................................................................... 46 4.5.3 混凝土的屈服准则 .......................................................................................... 46 4.5 有限元模型的建立 ................................................................................................ 47 4.5.1 钢筋及加固钢板单元的建立 ............................................................................ 47 4.5.2 混凝土单元的建立 .......................................................................................... 47 4.5.3 型钢柱单元的建立 .......................................................................................... 48 4.6 约束的施加和求解设置 ......................................................................................... 49 4.6.1 约束条件 ........................................................................................................ 49 4.6.2 荷载的施加 .................................................................................................... 49 4.6.3 求解设置 ........................................................................................................ 50 4.7 计算结果的后处理 ................................................................................................ 50 4.8 有限元分析结果与试验结果对比 ........................................................................... 51 4.9 本章小结 .............................................................................................................. 52 第五章 新型连接形式节点模型的建立及受力分析 ......................... 53 5.1 新型连接形式节点模型的建立 ............................................................................... 53 5.1.1 新型连接形式的选取 ...................................................................................... 53 5.1.2 刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的建立 ................................................... 53 5.2 刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的受力分析................................................... 56 5.3 本章小结 .............................................................................................................. 59 结论与展望 ....................................................................................... 60 本文结论 .................................................................................................................... 60 展望 ........................................................................................................................... 60 参考文献........................................................................................... 62 致谢 .................................................................................................. 64 第一章 绪论 1.1 研究背景 上世纪80年代之前，我国大中型城市中的民用房屋和住宅很大一部分都是低层或者多层建筑，在我国市场经济快速发展的今天，其中一些建筑物的使用面积已经不能很好地满足人们的使用要求了。对于这部分建筑物，我们不能停止对其的使用，但是它们的使用面积却影响着自己的使用功能。城市人口不断增长，居住规模不断扩大，这在一定程度上破坏了原本合理的城市环境容量。近年来，大量农村劳动人员涌入城市，这加快了城市化的进程，对本来就已经很紧张的城 [1]市用地更是“雪上加霜”。 另一方面，建筑物在长期的使用过程中，由于材料的老化、环境的侵蚀、损伤的累积、人为使用不当、工作荷载的改变以及自然灾害的影响等原因，致使大量的建筑需要加固和修复。当今我国经济高速前进， [2]城市的功能性和结构性的衰退将日益成为我国旧城改造的关键。对于旧城的综合改造不是一味的推倒重建，因为在很多情况下受到经济条件等方方面面因素的限制，使得全部重建实现起来困难重重。因此，我们要从现实条件出发，旧城的改造要与旧城的新建并重。部分地区采取大量占用城市周边耕地的方法来新建建筑物，扩大城市建筑的使用面积。这不符合我国保护农村耕地的相关政策。所以，在新城建设的同时，我们也要做好对旧有建筑物的改造和扩建工作。这在一定程度上保护了我国宝贵的耕地资源。 有关部门曾经统计过，截止到1985年年底，我国城镇房屋面积达到46亿平方米，以50年的设计使用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 来计算，这些建筑物大部分进入了自己的“中老年”服役时期。一些建筑物需要进行及时的鉴定、修缮和加固，这样可以延长它们的使用寿命。另一方面，一部分旧有建筑物在建设初期缺少整体的规划，房屋层高及房屋布局不是很合理，特别是近些年人们的生活水平普遍提升，这些旧有建筑物的使用功能越来越不能符合人们的要求了。针对这些现象，我们对那些旧有的占地面积大且层数低的建筑物进行加层改造，提高它们的使用功能就具有了很好的现实意义。建筑物加层改造有助于缓解城市的用地紧张，提高人民的居住条件，加速城区的改造。因此，对于旧有建筑物的加层改造依靠其技术上和经济上的特有优势在改建既有建筑物的市场中占了越来越大的比重。 在旧有建筑物上进行加层改建具有诸多优点: [3]1) 有效地提高了单位土地面积住房的容积率,缓解城市建筑用地紧张, 增加城市建筑面积,在一定程度上保护了耕地资源。 2) 施工周期短，有助于实现现有的城市配套设施的充分利用，减少拆 迁和征地费用。 3) 在加层改造的过程中，不仅仅增加了旧有建筑物的使用面积，同时 调整了建筑物的平面和立面的布局，使建筑物无论从使用功能上还是室内外 美观程度上都得到了提升。这既改善了人民的居住条件，又美化了城市的市 容市貌。 4) 我国有近170多个城市位于7度以上的地震活动带上，70年代之前 所建的房屋大部分没有将抗震设计考虑进去，针对这种情况，我们在对房屋 进行加层改造的同时可以对它们进行抗震加固。在增大房屋使用面积的同时， 又提高了建筑物自身的抗震性能，对于建筑物的使用年限的延长也有所帮助。 5) 建筑物在长期的使用过程中，其地基的承载力不断增长。所以我们 可以充分利用这一点，在不对地基做处理或者对地基做微处理的条件下对旧 有建筑物进行结构加层。这样可以给我们带来非常可观的经济效益。 6) 建筑物的加层改造工作可以在不影响人们正常的生活、居住、办公 的条件下进行。这可以避免拆迁工作所带来的临时安置的问题。 终上所述，对于既有建筑物的加层改造符合我国现在的国情以及技术经济条件。 1.2 研究意义 近年来随着我国经济的快速发展，大中型城市商业化和工业化规模不断扩大，城市中建设用地面积日益减小，部分旧有的建筑物由于其自身使用面积的限制，已经不能再很好的适应日益繁荣的市场需求。对于这类建筑物，我们需要扩大其使用面积来满足人们对其使用功能的要求。对于这种情况，采取建筑加层的方式可以有效地增加旧有建筑的使用面积，进而提高建筑物的使用性能。首先，选择在旧有建筑物上加层，几乎不占用新土地或者占用很少部分土地，这就缓解了当今城市中土地资源日趋紧张的形势。其次，相对于推倒重建，在建筑物上加层需要投入的资金要少得多。在资金紧张的时候，加层可谓是一种行之有效的举措。轻钢加层作为一种应用相对成熟的结构面积改造技术，具有地震作用小、自重轻等诸多优点。与此同时，轻钢加层也存在一定的缺点:轻钢加层后，建筑物成为了“下部重上部轻”， “下部刚上部柔”的质量与刚度不均匀分布体系。这会影响到建筑物的整体协作抗震能力。因此，对于在旧有建筑上采用轻钢结构加层的技术研究，越来越多的受到了结构设计工作者和业主的重视。 轻钢结构加层主要可以分为三种方式，即直接加层法、改变荷载传递法和外套结构跃层法。对于不同的既有建筑物，要采用适合的方法进行加层改造。对于结构设计工作者而言，如何能够设计出保证加层后建筑物具有较高抗震性能的加 层方式显得尤为重要。无论采取何种加层方式，轻钢加层的节点设计都是非常重要的。传统意义上讲，钢柱脚节点可以分为刚接柱脚和铰接柱脚两种形式。对于铰接柱脚和刚接柱脚，基础都可以承受轴向传来的压力和位于水平方向的剪力，不同的是:采用刚接柱脚的形式，基础还可以承受上部加层传导下来弯矩。为了进一步提高柱脚节点的抗震能力，我们还在铰接节点和刚接节点的基础上根据实际工程经验以及柱脚节点的受力、穿力特点设计出了不同形式的柱脚节点。作为连接原有建筑和新加钢层的重要部位，我们必须要重点研究不同钢柱节点形式的抗震性能。只有在了解并掌握了不同节点形式的抗震性能特点之后，我们才能准确地将不同的节点形式用在合适的建筑加层之中。从而确保我们在进行建筑物加层设计时，既要保证加层后的房屋安全可靠且抗震性强又要避免钢材的浪费。 1.3国内外研究的现状及存在问题 1.3.1国外概况 从二战结束到现在的半个多世纪里，世界主要发达国家的市政建设可以大略地划分为三个大的时期。首先是大面积的新建;其次是边新建边维修改造;最后是旧房维修与改造。上世纪70年代末，一些西方发达国家陆续跨入了第三个时期。这些国家在解决了人民基本居住问题后，对于旧有建筑物的改造与加固维护工作投入了越来越多的精力。在当今世界范围内，众多发达国家，例如美国、日本、加拿大、意大利、英国等都在不同程度上通过立法和出台相应的政策来提升、规范旧有建筑物改造维修的行业。美国把维修改造既有建筑物和新建建筑物视为同等重要，侧重于开发研究维持老城区原有历史风貌，升级建筑内部设施并且保持建筑外部旧有面貌的建筑改造升级方法。1977年，日本出台了相关政策，重点着手于旧有公产住宅房屋的改造以及高层房屋的维护技术。前苏联出台了规定，减少旧房屋的拆迁数量，定期修缮改造那些具有保留价值的建筑物，与此同时在莫斯科等地专门成立了负责对旧有建筑物进行维修改造工作的建筑设计院，在原建筑物上加层改造是这些设计院的一项重点设计研究内容。英国将居民房屋住宅发展计划的中心设为对旧有建筑物的加固改造，从70年代开始，转变了城市建筑的发展模式，由原来的大量拆迁重建转化成为对既有建筑的内部升级和结构维修改造。瑞典在1983年的时候，全国用于对旧有建筑修缮改造的费用已经占到了建筑总投资的一半。 相关资料显示，美国和英国的建筑维修和升级改造的市场早在1985年就进入了相对鼎盛的时期，其全国对于工商业和办公建筑物的升级改造费用达到了965亿美元。房屋的加层工作已经从低层建筑加层发展到了高层建筑加层，位于 美国俄克拉荷马州的Julsa Oklahoma 中州大厦(图示1)是很具有代表性的加层建筑。中州大厦原来共16层，在原楼内部新建内筒结构后，在之上新加了21层，成为世界上加层最多的建筑物。位于意大利南部港口城市那不勒斯政府大楼(图示2)的加层改造工程很有特点，该建筑物共有四层(包括地下室1层)，要求加5层并且在改造期间继续使用。该工程使用了树根桩，将这些桩安放在了原结构基础周围，在新增树桩基础上建造基础梁，梁上安放贯通原建筑的钢柱，在钢柱上进行加层施工，加层施工完成后拆除原有的三层楼，再新建楼层与上部5层楼连接起来成为一个整体。 位于美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的联邦银行(图示3)在设计之初就考虑到了将来的加层，并最终在原有建筑上实施了加层改造。新增楼层采用拱形并且连接在下部的悬索之上，在外观上形成了“卵形” (图示4),结构牢靠、外形美观，是建筑加层工程中的精品之一。 国际上，许多国家举行以建筑物修缮改造为主题的学术会议并且出版专业的学术刊物，例如英国的Concrete Engineering International期刊，印度的the Stmctural Engineer和Indian Concrete期刊等等，这些学术会议和期刊每年都会出版大量关于建筑物加固、改造升级的论文和技术规程。 1.3.2 国内概况 在我国对于旧有建筑进行加层改造的工程实践活动相对较早。上海工艺品服务部在1915年建成，并在随后的日子里进行了3次加层改造，分别使原建筑物成为了4层、5层和6层，最终于解放之前完成(图示5)。这是一个非常具有代表性的加层工程，为我国的加层改造工程提供了珍贵的数据资料。建国后到60年代末这段时间，我国处在大规模新建的时期，对于既有建筑物的加层改造活动进入了低谷。从70年代开始，我国对于旧建筑物的修缮、加固、改造升级 [4]活动逐渐地发展了起来。位于全国政治中心北京的原纺织工业部办公大楼(图示6)，原来为3层，加层改造后成为了5层，改造后该建筑结构牢靠且外形大方，完美地融入了长安大街之中。天津劝业场将室内天井加层改造成为楼层，增加了建筑的使用面积。 在进行加层改造工程实践的同时，国内工程学术界也针对原有建筑加层改造活动开展了大量的理论研究工作。对于建筑物结构加层改造的理论研究大致可以分为以下几类: 1)主要针对在原有建筑上开展加层工作的可行性以及在加层改造设计过程中应该重视的相关问题的研究，重点研究建筑物上加层工程的必要性和合理性。 2)主要针对建筑加层形式和施工组织方案的研究。在加层工程中，运用正确合理的增层形式并且采用科学的 施工方案 围墙砌筑施工方案免费下载道路清表施工方案下载双排脚手架施工方案脚手架专项施工方案专项施工方案脚手架 尤为重要。 3)主要针对加层后结构整体的振动方式以及整体计算方式的研究，分别得出了不同原有结构形式上增加轻钢加层或者钢加层后，建筑整体地震振动反应。 4)主要通过试验的方式研究结构加层后整体的抗震性能，和模拟得出的结 果进行对比分析，最终得到正确的理论指导实践活动。 我国学者对加层的相关理论研究如下所示: [5](1)山东建筑工程学院的崔艳秋等系统地介绍了一些轻钢加层在实际工程中的适用性和合理性，指出了与之相对于的原建筑结构体系，研究了在设计结构加层过程中应该注意的一些问题以及可以使用的计算方法。指出了:第一，在原建筑物上进行加层设计时务必要根据原有建筑结构形式和施工环境等条件选取合理的加层形式;第二，在选择建筑物加层后整体模型时一定要考虑到加层前后结构形式的突变，正确选取结构模型进行模拟计算;第三，可以考虑使用底部剪力方法对刚度和质量都与旧有结构不同的新增轻钢结构进行抗震计算。 [6](2)太原理工大学的雷宏刚等探讨了新增结构的可行性，并重点讨论门式轻钢增层结构体系的设计选型、受力计算、结构耐久性、连接节点、施工方案等相关问题有助于轻钢门式钢结构的推广和发展。 [7](3)青岛建筑工程学院的王燕针对新加结构的刚度与质量相对于原有结构明显地减小导致地震作用下高阶振型影响作用增强的现象，提出了要应用振型分解的方法来分析高阶振型作用下的轻钢结构抗震性能，并且分析计算了动力放大系数科学合理的取值。 [8](4)包头钢铁学院的朱丽华以某批发市场的轻钢结构增层设计工程为实例，在此基础上阐述了轻钢结构增层中节点的相关处理问题，为轻钢结构增层设计以及节点处理的合理性提供了参考。 [9](5)卓尔建筑设计有限公司的陈招平等运用子结构方法叠加了旧有混凝土的结构以及新加钢结构的刚度、质量及阻尼矩阵，用实模态振型分解法对所建模型进行了地震反应的求解。 [10](6)合肥工业大学的骆甜指出了多层钢混框架结构在加层之后，建筑物整体的刚度、质量、阻尼比等均不同程度上发生了改变。因此，只计算新增部分是不合理的，要对结构的整体进行分析。对轻钢加层的形式进行了分类总结之后，利用有限元分析软件ANSYS模拟分析了在原建筑分别为2层、3层、4层钢混框架结构上加盖1层和2层后，整体结构的地震反应，将加层后结构整体的阻尼比变化考虑了进去，最终得出了结构在多遇地震下的位移、变形、层间剪力和层间位移角等相关参数。分析指出:多层钢混框架结构上加盖一层轻钢结构时，新加部分的鞭梢效应不是很明显;加两层轻钢结构时，新加的第一层明显薄弱，要对其进行抗震验算;若新加多层时，在计算时要将高阶振型考虑进去。验证了多层钢混框架结构上加轻钢结构的可行性，得到了结构上轻钢加层的变形受力规律。 [11](7)清华大学的宋峰 提出一种新型结构加层方式—跃层加层式，该种方式不需要触及旧有建筑物和基础，在原建筑物外侧建造框架柱，在框架柱上直接加盖新的结构层。作者利用有限元软件ANSYS对整体是跃层和分离式跃层进行了 动力静力分析，指出要重点将跃层结构的底层框架梁和柱的截面面积、尺寸进行科学合理的设计，控制好线刚度比值决定了外套框架的刚度和承载力。 [12](8)山东科技大学的卢世霞以具体钢混框架工程为基础，运用有限元软件ANSYS对钢混框架结构上直接采取轻钢加层的工程实例建立了有限元模型，对加层后的结构整体进行反应谱分析和模态分析，获取了此类结构的对应的地震反应特点，提供了一些数据理论供加层结构抗震设计参考。 [13](9)麻建锁等用有限元软件ANSYS模拟出了某4层钢混框架办公楼上加2层纯钢结构框架，对此模型进行了地震反应分析，以此为基础论述了不同阻尼比、无侧移、有侧移以及加层层数不同的整体框架的抗震性能的差异。通过计算得出:结构的周期在加层后变长，所以框架的底层层间的剪力产生的变化相对较小。 [14](10)同济大学的徐磊等简述了对一个钢混框架结构增层改造后抗震性能方面的评价。对于加层后的整体结构，指出要运用控制位移的加固方法来提高其抗震性能，通过时程分析证明了此种加固方式能够满足抗震规范的要求。 [15](11)新疆大学的韩凤霞重点研究了在砌体结构上增加一层轻钢门式钢架后结构整体的抗震性能，将上部加层部分作为附加建筑荷载，根据建筑荷载规范以及建筑抗震设计规范分析了这种方式的可行性，经过计算得出加层后整体结构的楼层底部水平地震力，然后把上部加层结构作为附加荷载，与扩大系数相乘后作用在原有结构上楼层算出这种加载方式下整体结构底部的水平地震力，两种地震力想接近或相等时，可以算出扩大系数，由此得出了简化的计算方法。 [16](12)周福霖提出了加层减震技术用来提高已有建筑的抗震性能，此技术的原理是在原来的抗震性能不满足要求的建筑物上通过加层改造后改变结构整体的自振周期，从而提高原结构抗震性能。 [17](13)清华大学的张涛对现有的砖混结构和钢混结构上部增加钢结构工程的特点，结合实例，利用有限元分析软件，对参数进行了分析，总结规律。主要做了以下三项研究工作:第一，旧有建筑物上部加钢结构的构造和设计等有关的技术，以不同的原有建筑为基础，结合不同的使用要求选择出科学合理的加层形式，并指出了该设计体系中的薄弱环节;第二，钢混框架结构上新加钢结构的抗震性能，以具体实际工程为基础，运用有限元软件ANSYS对增加的不同钢结构层数，建立模型并进行动力和静力的分析，总结出此类设计中应该注意的控制因素;第三，砖混结构上新加钢结构的抗震性能，以某砖混结构办公楼增层改造的实例为基础，运用有限元软件ANSYS对其建模分析，总结出此类结构设计中应该注意的控制因素。 [18]14)南京建筑工程学院马宏、董军(指出如果将轻钢加层部分和隔震垫联系在一起并组成一个扩展的质量调谐阻尼体系，这样可以现住地限制支座变形。 [19](15)泰州职业技术学院的孙国荣从消能减震和隔震的角度出发，评价了当前的土建领域的结构控制技术，分类讨论了国内外的隔振技术，对今后发展隔振技术需要解决的问题进行了阐述。 [20](16)刘仲洋，麻建锁以实际工程为实例，分析阐述了在新旧结构层之间添加橡胶隔震支座对于结构抗震性能的帮助，对于实际工程具有一定的参考价值。 [21](17)郑洪谦等分别对隔震结构在人工地震波和实际地震波作用下进行了时程分析计算，进过对比分析，得出了一些具有参考价值的结论。 综上所述，既有建筑的加层改造工程在国内外都取得了很大的进步于发展。在我国，尤其是70年代以来，政府对于旧建筑的修缮、改造、升级工作重视程度越来越高。无论在施工技术方面还是在理论研究方面都有了长足的进步。我国先后组织成立了一批科研协会专门分析研究旧有建筑的鉴定与增层加固改造，例如: 中国工程建设标准化协会、中国老教授协会全国房屋增层改造技术研究委员会和建筑物鉴定与加固技术标准委员会等。这些协会、科研团体等对于建筑物增层的学术交流、经验探讨以及技术提升起到了很大的帮助。与此同时，我国相关部门也颁布了一系列的条令规范，如《砖混结构房屋加层技术规范》(CECS78: 97);《既有建筑地基基础加96);《铁路房屋增层和纠倾技术规范》(TB10114- 固技术规范》(JGJ123-2000);《建筑抗震加固技术规程》(JGJ 116-98);《现有建筑抗震鉴定与加固规程》(DGJ08-81-2000);《钢结构加固技术规范》(CECS77:96)等。这些条令规范的颁布使我国建筑物结构加层工程无论在施工方面还是在设计方面都有了相应的指导，使建筑物结构加层工程在我国规范有序地健康发展。 1.4 研究的主要内容 1.4.1课题描述 既有建筑物上采取轻钢加层，上层钢结构与下层混凝土连接的钢柱脚节点形式的设计直同连接形式的加层节点，并以与实际工程中相接近的尺寸做出四组节点模型。经过低周反复试验后，可以得出每组构件的滞回曲线、骨架曲线、延性系数等数据，经过比较分析后得出抗震性能最好的一种节点连接方式。之后利用有限元软件ANSYS建立这个节点构件模型，并模拟试验，与实际试验构件所得数据对比符合后，说明ANSYS所建虚拟模型正确，在此模型基础上通过改变原有的连接方式，得出不同连接形式的构件模型，再次进行模拟试验，从而得出新构件模型抗震性能的差异,从而得到抗震性能最好的一种节点连接方式。 1.4.2 课题的主要研究内容 1)从工程实例与理论研究的角度，了解国内外建筑轻钢结构加层的分类形式以及相关理论研究的现状，分析探讨轻钢结构加层工作在我国开展的合理性和必要性，指出了一些有待于解决的实际问题。 2)学习并掌握有限元分析方法的原理以及低周反复试验的方法和分析过程，为后续的分析做好理论准备。 3)试验研究不同节点形式的轻钢加层构件在梁根部低周往复荷载作用下的受力机理、形性能以及屈服过程。 4)利用有限元软件ANSYS模拟实际构件，进行非线性有限元分析，在低周往复荷载作用下分析模型的抗震性能，并将计算结果与试验所测结果进行对比，验证所建模型的正确性。 5)在所建模型的基础上，改变节点的连接方式，得出新的构件模型，通过对其进行非线性有限元分析，分析新建模型在低周往复荷载作用下的抗震性能，最终得出轻钢加层中不同节点连接形式抗震性能的差异。 6)对计算结果进行总结分析，提出相关建议，为以后的节点设计、新规范的制定以及实际工程等提供理论参考依据。 第二章 有限元分析的理论基础 2.1 概述 数值模拟技术(CAE技术，Computer-aided Engineering)是基于现代力学基础和现代数学基础之上，通过利用计算机技术，来获取满足工程实际要求的数值近似解的一门技术。它主要涵盖了在工程设计过程中的分析计算和仿真，对于现代工程仿真学的发展起到了重要的推动作用。CAE软件分为专用软件和通用软件两大类。专用软件主要针对特定类型的工程，用于产品性能分析、预测和优化。它的优点是在某个领域内能够深入应用，如美国ETA公司的汽车专用CAE软件LS/DYNA3D和ETA/FEMB等。通用软件则可以对多种类型的产品和工程进行模拟、分析、预测、评价和优化，从而实现产品的升级与创新。它的优点是其广泛的覆盖面，如ANSYS、NASTRAN、MARC、PATRAN等。目前工程领域中常用的数值模拟方法有:有限元法(Finite Element Method，FEM)、边界元法(Boundary Element Method，BEM)、有限差分法(Finite Difference Method， FDM)以及离散单元法(Discrete Element Method， DEM)。但就其应用范围和实用性来讲，主要还是有限元法应用的更多一些。有限元法首先在结构分析中得到了应用，而后广泛地推广应用到了其他领域。 20世纪40年代，R.Courant在求解扭转问题时把截面划分为一些三角形的区域，在每个三角形区域内均设定线性翘曲函数，以达到表征翘曲函数的目的。这一求解思想被世人公认为有限元的求解思想。20世纪70年代，随着计算机技术的迅速发展，有限元法得到了蓬勃发展。其应用范围延伸到了所有工程领域，成为了解决连续介质问题中所有数值分析法中最常见的方法。 有限元法的基本思想是将物体离散成为若干个按照一定方式联系在一起的小单元的组合，用这个组合来模拟原来的物体，这样可以把一个原本连续的无限自由度的问题转化成离散的有限自由度的问题来处理。物体被离散之后，引入相应的边界条件及初始条件，通过对其中各个小单元进行分析，从而可以得到对于整个物体的分析。 目前，存在许多用来进行结构分析的有限元软件，例如:ANSYS、SAP2000、IDEAS、ABAQUS、MARC、ADINA和ADLGOR等。对于不同类型的结构形式，它们存在着属于自己的优势。理论上讲，有限元方法能够对所有实际边界问题进行增量非线性分析。 2.2 有限元方法的分析步骤 2.2.1 离散连续体 有限元分析方法中，将原本连续的物体(连续体)依照一定的单元形式划分成若干个小的单元体，这些小单元体在有限个节点上相互联结。这种把连续体划分成离散体的做法，叫做连续体的离散化。通过有限元分析只能够得到近似的计算结果，所得计算结果的精确程度与单元类型的选取、划分单元的大小以及划分所得单元体的数量有着密切的关系。对于连续体进行单元划分，如果划分的单元过于粗糙，可能会导致所得结果精确程度不够，而如果划分的单元过于细致，则会导致在计算过程中资源的浪费和计算用时的增长，因此，根据实际要求，对连续体进行合理的离散划分尤为重要。 2.2.2 单元位移函数的选择 单元位移函数指的是假定的单元内部存在的位移变化规律或者位移分布规律，其在整个有限元法中占有重要的地位。不同类型的单元需要选择不同的位移函数，位移函数要满足收敛性与协调性的要求，位移函数决定了单元的形状和节点的数量，在有限元分析的不同阶段之中，其对应的计算式不尽相同，所得结果的计算精度也不同。可以说选取正确合理的位移函数对于有限元问题的求解具有重要的作用。 2.2.3 单元特性分析 所谓的单元特性分析就是单元刚度矩阵建立的过程，是有限元分析中必不可少的一个过程。根据能量原理，我们可以确定任何形式或任何形状单元的刚度矩阵。单元分析主要包括以下几个步骤: (1)单元应力应变的确定 通过单元位移函数，我们可以建立单元内部任意一点的位移分量和单元节点的位移分量之间的关系，之后我们能够通过弹性力学中物理方程和几何方程得出使用节点位移向量表示单元的应力应变的表达式。单元内部任何一点的应力、应变和位移同节点位移关系的表达式为: e{}[]{}fNu, e{}[]{}[][]{},,,,DDBu ee{}[][][][]{}[]{},,,,LfLNuBu {}f,单元内任意点的位移向量注: e{}u,单元节点位移向量 []N,单元位移函数矩阵 []L,微分算子矩阵 []B,单元应变矩阵 []D,弹性矩阵 (2)单元刚度矩阵的推导 所谓单元刚度矩阵就是通过力学能量原理中虚功原理建立起的能够反映单 e{},元节点位移和单元节点集中力关系的刚度矩阵方程。在单元节点产生虚位移的时候，单元节点上集中力在节点虚位移上所做的功是: TeeWF,,{}{}，，e e{}F,单元所受节点集中力的向量注: e{},{},内力的虚功(内应变)在虚应变 上所作的功是: TTTeTeeeeWdVBDBudVBDBdVu,,,,,,,,{}{}[]{}[][]{}{[][][]{}，，，，f,,, WW,，，et内力虚功和外力虚功相等可以得到: eTe{}[][][]{}FBDBdVu,，，, 简化后，得: eee{}[]{}FKu, e[]K,单元刚度矩阵注: (3)荷载的等效置换 所谓等效置换荷载就是把那些作用在单元(节点和节点之外)上的外荷载(集中荷载、面力和体力)等效地转换成单元节点上的集中荷载。由能量原理可知:节点虚位移对应的虚功和真实荷载在相应虚位移上对应的虚功相等，根据虚功相等的原则可以把单元等效集中荷载折算出来。每个单元所有节点上的等效集中荷载都得到确定后，则整体结构中任意一节点上的等效集中荷载为与这一节点相连接的所有单元中此处节点的等效集中荷载的代数和。 2.2.4 整体分析 (1)总体平衡方程 以结构的整体平衡(结构中各节点处的平衡)为根据，建立节点上的集中力等效荷载与和该节点处于相同位置的所有节点的集中力等效荷载之间的平衡关系;以节点位移和节点集中力之间的关系为根据，建立节点位移和等效集中荷载之间的平衡关系。把结构中各个节点按照整体等效节点荷载{R}列阵，对其进行重新排列组合，从而得到总体刚度平衡方程，如: {}[]{}RK,, {}R,整体结构等效节点荷载列阵注: {},,整体结构节点位移向量列阵 []K,结构总体刚度矩阵 (2)对于总体刚度方程的修改 在建立结构的总体刚度方程后，要按照结构具有的边界条件(结构的约束条件)对所建的总体平衡方程进行修改，从而达到将计算过程由繁化简的目的。 2.3 对于非线性方程组的求解方法 对于任何一类非线性的问题，使用有限元方法对其进行分析求解的时候均会得到相应的待解非线性方程组，对于所得的非线性方程组的求解，通常将其转化为线性方程组而后进行分析求解，为了保证转化后的线性方程组的解逼近非线性解并且能够收敛，很多专家学者提出了一些不同的解法，所提出的解法均存在着各自的局限性。和线性分析截然不同，几乎不能得到一种对于不同的非线性程度和各种非线性问题均能适合的非线性解法。因此，在对结构进行非线性分析时需要选择正确合理的非线性解法。主要存在三类对于非线性方程组进行求解的方 增量法以及混合法，它们均有适合自己的使用范围。 法，即:迭代法、 2.3.1迭代法 所谓迭代法就是先施加全部的荷载，同时逐步对应变、位移进行修改，使整个的迭代过程逐渐地逼近真实的荷载—位移曲线。迭代法相对来说简单易行，对于常见的几何非线性问题和与加载历史没有关系的材料非线性问题适用性强。但其也存在着一定的缺点，如不能确保能够收敛直至得到精确解，特别对于那些随 着加载过程逐步硬化的结构几乎不能收敛。迭代法可以分为完全牛顿—拉普森法、修正后的牛顿—拉普森法以及拟牛顿—拉普森法三种。完全牛顿—拉普森法适合对于非线性程度较高的问题进行求解，其收敛速度快，但计算量大，这是由于在每次迭代过程中都会形成新的刚度矩阵并进行求逆。修正后的牛顿—拉普森法计算量小，这是由于在每次迭代过程中均使用同一刚度矩阵求逆，但其收敛速度慢，尤其对于一些硬化的情况几乎不能收敛。相比之下，拟牛顿—拉普森法具有上述两种方法的优点，在计算过程中不生成新的刚度矩阵，收敛速度较快且计算量较小。 2.3.2 增量法 所谓的增量法就是将全部荷载按照若干加载步进行划分，求出在每个加载步中相应的位移增量，直至全部的加载步完成，最后通过把每个荷载步中对应的位移增量相加而得到结构的总位移。增量法收敛性好，适应能力强，除了极个别的情况，它对于各种程度非线性问题以及各类非线性问题均具有较好的适应性。但是只依靠本方法不能判断出所得近似结果和精确结果之间偏离程度的大小，而且其计算量较大。根据所选取参考位形的差别，可以把增量法分成全拉格朗日法以及更新的拉格朗日法。全拉格朗日法的参考位形始终为初始位形(0时刻)，而更新的拉格朗日法的参考位形则随着加载时间的变化不断更新。 2.3.3 混合法 混合法将迭代法和增量法的优点综合了起来，其计算精度得到了提高，但计算量大，并且可以判断出其在每一增量步结束的时候所得近似解的精确程度。 增量法的主要思想为:设时间为t时对应的解已知，?t是时间增量，则t+?t时有: tttt，,，,Pf,,0 t时的解已知，则: tttt，,,fff,， Kttt',，,到时刻材料和几何条件的切向刚度矩阵注: ,tut,,时间间隔中的节点位移增量 合并上述两式，可得: ,,tttt，KufP'，, ,ttt，,tt，,uK将位移增量求解出来，便能够计算出在时刻为时对应的和应力tt，,f，在此基础上能够开展下一步迭代运算。应该保证在计算过程中存在足够多的迭代次数，这样有助于提高所得结果的精确程度。修正后的牛顿迭代法是在计算过程中最常见的方法，它是通过非线性方程组牛顿—拉普森法推导出来的， tt，,t时刻至时刻的时步之中，修正后的牛顿迭代公式能够表示成为: ttttt，，,,KuPf,,,tt1, tttt，，,,uuu,，,iii1, i,迭代次数，取1,2,3...注: t时刻的解即为迭代过程中所选用的初始值: ttt，,uu,0 ttt，,ff,0 tt，,tt，,fi1,P在整个的迭代过程之中，的值随着i的增加逐步趋近，在满足了设定的不平衡荷载向量模精度指标的时候，整个迭代过程终止。 2.4 收敛准则 对于非线性方程组，当使用增量法对其进行求解时，务必要设定出相应的收敛准则，若没有给出收敛准则，则整个计算过程无法终止。我们在实际计算中经常会用到三种收敛准则: (1)平衡力收敛准则 {}{}{},FFP,,ii {}F,外荷载矢量注: {}Pi,第次迭代结束时和内力平衡的节点矢量i 平衡力收敛准则有应用存在具体的要求:若物体自身软化情况严重或材料和理想塑性很接近时，失衡力中产生的细微变化能够引起位移增量产生很大的偏差，此时不可以使用平衡力收敛准则。 (2)位移收敛准则 ,,,,,,,,，,,,,qqqiDii,,11 ,,,,,,,qiDD注:是位移收敛容差，通常取0.1% ??5%，是某种范数，一般取欧几里德范数。 如果相邻的两次迭代所得位移增量范数之比跳跃性较大，此时使用位移收敛准则可靠度不高。 (3) 能量收敛准则 能量收敛准则的基本原理是把位移和力进行同时的控制，保证它们同时处于平衡状态，也就是将每次迭代过程中能量增量和原始内能增量进行比较，可以表示为: TT{}{}{}{}{}{},,,qFPqFP,,,，，，，1iiZC ,-预定的能量容差E注: 2.5 ANSYS有限元分析 2.5.1 概述 ANSYS软件是融合了结构、电磁场、流体、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS软件是由总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡的ANSYS公司开发的，其创始人是美国匹兹堡大学力学教授、著名有限元权威专家John Swanson博士。起初ANSYS只能够进行线性分析和热分析，1970年之后，逐步添加了更多的子结构技术以及单元类型并且引入了非线性计算的功能。伴随着计算机技术的发展，人机进入了图形交互的时代，ANSYS软件也建立了相应的人机图形交互操作界面，将原本复杂的分析操作过程进行了简化，使得计算机的分析过程更加直观地呈现在了人们的面前。ANSYS同时为用户提供求解器和后处理器，这使人们更加方便地建立和处理模型。如今，ANSYS软件已经成功地应用于世界工业的各个领域，它融合结构、流体、热、电池、土木工程、交通、电子、造船等工程和科学研究于一身。它能够浮动运行在PC机、工作站直至巨型计算机之间的各种计算机和操作系统之中。 2.5.2 ANSYS软件建模需要考虑的因素 在使用ANSYS软件对模型进行分析之前，我们需要制定分析方案，也就是认清分析模型、理解分析任务、明确分析目标。只有首先制定好正确有效的分析方案，才能使我们在分析过程中事半功倍，以最高的效率和最优的途径达到最合适 的分析结果。 进行分析之前，在认真地研究原始图纸，准备原始数据的前提下，我们还要明确下列各个问题: 把分析目的确定下来，分析目的在整个分析方案中占有极其重要的地位，分析方案中的所有工作都是以它为核心而展开的。所谓的分析目的也就是ANSYS软件分析的内容，如分析梁柱节点的抗震性能，我们就要得到此节点在模拟地震荷载作用下的荷载—位移曲线。 明确分析的类型，ANSYS软件中包含了许多种分析类型，选择不同的分析类型会在很大程度上影响模型的建立，网格的划分、荷载的施加、求解器的设置以及荷载步数的设置等环节。所以我们要正确地选择分析类型。用于结构分析的类型主要包括静力分析和动力分析(模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析);线性分析和非线性分析(几何非线性和材料非线性)。 把需要建立的模型范围加以确定，特取其特征，化繁为简。以分析的目标和性质为根据，合理地选择模型范围，把一些无关紧要的特征去掉或者进行简化处理。例如把薄壁结构用壳单元来代替，把实体的梁柱单元用梁单元来代替，把实体的杆单元用二力杆来代替等等。 确定模型的各个组成部分以及各组成部分的结合方式，一个模型往往是由若干个小部分组成得到的，所以正确地处理好各个部分的结合方式有助于提高最终计算结果的精确程度。 确定网格的划分方案，在实际分析过程中如何划分网格对于计算结果的收敛速度以及结果的精确性有着重要的影响。一般根据所建模型受力性质，分析要求等因素来确定如何划分网格。 明确施加在模型上的各个荷载，包括荷载的性质，大小，作用方式等，在分析过程中我们要尽可能准确地模拟出施加在模型上的各个荷载，这样才能真实地体现出原来作用在实际物体上的荷载，保证所得结果的真实性。 2.5.3 ANSYS求解的基本步骤 ANSYS分析的典型步骤为: 建立模型。包括选取单元类型、定义材料属性、设置实常数、建立模型或者通过CAD等软件引入模型、对模型进行附属性划分网格。 施加边界条件、荷载并求解。包括选取分析类型、施加边界条件、施加荷载、设置荷载步和进行求解。 得到结果并查看。包括将所得结果调出来、查看、分析。 2.6 本章小结 本章将有限元计算方法的基本原理和分析步骤进行了综述，具体地表述了连续体的离散化、单元位移函数的选取、整体分析、单元分析和单元计算过程中内部应力应变等知识要点。对于解决非线性问题的三种方法(迭代法、增量法和混合法)进行了简单地表述，指出了它们各自的优点和缺点。同时，还说明了在解决有限元问题中常用的三种收敛准则(平衡力收敛准则、位移收敛准则和能量收敛准则)，简单地描述了它们的基本理论。本章还对大型有限元分析软件ANSYS进行了表述，列出了在使用ANSYS分析过程中需要做的准备工作以及需要注意和解决的若干问题，并且说明了使用ANSYS进行分析时的典型分析步骤以及每步中所包含的主要内容。 第三章 钢混柱节点低周反复荷载试验 3.1 试验概况 在本试验中，设计了四个轻钢加层不同连接形式节点的实体模型，这些试验构件均为在原有的混凝土柱子上方通过化学植筋的方法加入工字钢形的钢柱。新加钢柱与原有混凝土柱子的连接形式不同，其连接形式分别为:铰接—U型钢箍加固、刚接—碳纤维加固、刚接—钢板加固和纯刚接。通过对它们施加低周反复荷载，加载到屈服，直至破坏。从而能够得到它们的滞回曲线、骨架曲线等相关的参数，通过这些参数可以判断出它们抗震性能的差异。本试验得出的结论是: 刚接—钢板加固的钢混柱节点抗震性能最优。故本文将以此节点形式为样本，对其进行ANSYS有限元模拟，其它三组连接形式的节点则不再进行讨论。 3.1.1 试验构件的设计 本试验中梁的截面尺寸为:200mm×300mm，梁长为:2700mm;柱子的截面尺寸为:300mm×300mm，柱子高度为:900mm。梁和柱采用整体浇注的方法结合在一起，浇注时统一使用C30的商品混凝土。浇注过程中不断振捣密实，而后至于适当的环境中进行养护处理，在达到了允许的强度之后方才对其进行了搬运处理。 梁和柱中的箍筋均采用了一级钢，直径为8mm。梁中纵筋采用的是三级钢，直径为16mm。柱中纵筋采用的三级钢，直径为20mm。其中箍筋在梁和柱的核心受力区进行了加密处理，其间距为100mm，其它部位间距均为200mm。 混凝土柱上方所加入的钢柱为工字钢形的钢柱，钢柱的翼缘厚度为10mm，腹板厚度为8mm，钢柱长度为900mm。在钢柱上下端部分别焊接有两块钢板，上部钢板的边长为200mm×200mm，下部钢板的边长为300mm×300mm，两块钢板的厚度均为20mm。钢柱通过化学植筋的方式和混凝土柱连结，形成整体。 试验中所用的钢柱如下图所示: 试验中进行钢板加固的钢混节点构件如下图所示: 本试验中加固所用到的钢板厚度为3mm，通过粘贴及膨胀螺栓与混凝土梁柱 结合在一起。 3.1.2 材料特性 试验构件在浇筑的过程中，对其所用的C30混凝土做了6组试块，经过28天标准养护后，测得其抗压强度为:31.2MP。 构件梁柱中所用纵筋经试验检测后得到的材料属性如下表所示: 钢筋类型(直径) 屈服强度(MP) 截面面积(MM2) 16 427 201.1 18 425 254.3 20 462 314.2 试验所用的钢柱部分材料采用Q235，设计的标准强度为235MP。钢柱是由钢板经过手工电弧焊而形成的，采用的是E43型焊条。 3.1.3 试验装置及加载设备 本试验采用了反力架对试验构件进行固定。先使用一个大反力架给构件钢柱上部施加竖向轴力以及水平方向上的推力，水平方向的反力架和钢柱铰接连接，这样既能够保证加载过程中钢柱不产生位移又能确保其能够产生微小的转动。而后在构件左右梁端部施加两个小反力架，通过在小反力架上架设千斤顶给构件施加低周反复荷载。反力架底部设有地梁，且固定在地面不产生位移，地梁上部有能够模拟铰接的钢轴，保证构件混凝土柱子下部铰接，使构件在加载的过程中能够在水平方向产生小幅度的转动。 试验装置如下图所示: 试验中用到的加载设备是油压千斤顶，并且使用压力传感器来控制所加力的 大小。所用千斤顶及压力传感器如下图所示: 3.2 试验加载过程简介 3.2.1 低周反复加载制度 根据《建筑抗震试验方法规程》中的相关规定，采用拟静力方法研究柱节点在低周反复荷载作用下的抗震性能，加载步骤:首先施加竖向的荷载，再施加水平方向的荷载。在试验中，先取得设计竖向荷载值的50%进行预加载、卸载一次，以此来消除构件内部可能存在的组织不均匀性，再加竖向荷载直至加满且一直保持到该试验结束。随后施加低周反复荷载，本试验通过四个小型油压千斤顶来完成。在正式的试验进行之前，应该进行一次低周反复荷载的预加载，所加荷载大小不超过构架极限荷载的10%，以此来检查试验中各个测量仪器是否能够正常工作。试验中通过压力传感器来控制所加荷载的大小。竖向反复荷载是由力—位移混合控制来施加的，构件在屈服之前使用力控制加载，分级逐步进行加载，每级荷载进行三次循环，一直加载直到构件屈服，确定出屈服时候两端最大的竖向位移，之后开始使用位移控制加载，级差选用屈服位移的倍数，每级进行两次循环，加载直至构架破坏。加载的制度如下图所示: 加载循环:力控制(前)，位移控制(后) 3.2.2 低周反复试验 在整个试验的过程之中，先施加的是钢柱上方的竖向轴力，以100KN的力进行了以此预加载、卸载，而后逐步加大荷载至203.8KN，并保持这个荷载不变直 到试验结束。在试验的过程中要不断通过压力传感器来观察这个竖向轴力的大小，当其减小值大于原值5%的时候，要及时对其进行调整，恢复至原有大小。只有这样才能够达到轴压力值不变的目的。 竖向反复荷载通过四个小型千斤顶来实现，将这四个千斤顶分为两组，对构件施加反复荷载。加载前期使用力控制，按照1KN，5KN，10KN„分级逐步加载，每级加载循环三次;构件屈服后，按屈服时对应位移量的倍数分级逐步进行加载，每级加载循环两次，直至构件破坏为止。 3.3 试验结果 3.3.1 试验现象简述 在试验的过程中，对于钢板加固的钢混梁柱节点构件，最终在梁与混凝土柱相交的部位，也就是梁根部发生了断裂破坏。上部型钢柱和下部混凝土柱几乎为出现破坏现象。 在加载过程中，构件出于弹性阶段的时候，对其进行加载与卸载，整个构件未出现明显变化，随着所加荷载的增加，在加载至7.5KN的时候，梁中出现了裂缝。加载至构件屈服后，使用位移控制加载，此时可以明显地看到梁产生了较大的位移变形，裂缝进一步开展，变宽。在加载至构件破坏之前，可以听到构件发出吱吱的声音，随后构件破坏。 3.3.2 荷载—位移曲线 从我国《建筑抗震试验方法规程》中可以了解到，拟静力试验所得的数据有:滞回曲线、滞回面积、骨架曲线和能量耗散系数等，这些数据指标能够用于评价构件在抗震性能方面的优劣。 所谓滞回曲线就是构件或者节点在反复荷载作用下产生的荷载—位移曲线，其形状的大小及饱满程度都是判定构件抗震性能优劣的重要指标。在拟静力试验之中，滞回曲线能够分为受拉半循环和受压半循环，它们加载时的方向不同，所有对应的位移值也分为正位移和负位移。滞回曲线上部受拉的半循环对应的位移为正，反之，下部受压的半循环对应的位移为负。 试验所得钢板加固方式钢混节点构件的滞回曲线为: 60 40 20 0系列1-25-20-15-10-50510152025 -20 -40 -60 3.3.3 骨架曲线 所谓骨架曲线就是连接滞回曲线上的单圈滞回环所对应峰值点而得到的曲线，其是判断构件极限承载力大小以及延性优劣的重要指标。 试验所得出的骨架曲线为: 60 40 荷载(KN) 20 0 -15-10-5051015 位移(mm)-20 -40 -60 3.4 本章小结 本章对于试验中钢板加固的钢混柱节点构件的设计，使用做了简单的说明介 绍。说明了构件的具体尺寸，构件各个部分的连接方式，同时指出了构件所使用的材料规格以及各材料的具体特性指标。 指出了我国《建筑抗震试验方法规程》中对于拟静力试验的具体技术要求，对于本试验中所用到的加载控制方法以及原理作了具体介绍。 对于本试验中所用的加载装置和加载设备进行了图示说明，对于低周反复荷载试验的具体流程，前期准备和加载过程进行了简单的图示说明，并且指出了试验期间需要着重注意的要点。 最后介绍了构件在施加低周反复荷载过程中产生的现象和破坏情况，对于构件在屈服前后的不同状态作了对比说明，并且列出了本构件在试验后所得到的滞回曲线和骨架曲线。 第四章 有限元模型的建立 4.1 节点模型的选取 本文钢混柱节点模型的设计参考了框架结构的中心点，将结构在水平地震荷载作用下的受力情况充分地考虑了进去，选取框架反弯点之间“十”字型部分进行相关分析，如下图所示: 4.2 有限元节点模型的理论基础 本文中所建立的节点模型选用了Solid65单元对混凝土进行模拟，Solid45单元对型钢柱中钢板进行了模拟，Link8单元对钢筋进行了模拟，Shell41单元对加固钢板进行了模拟。 4.2.1 混凝土单元的相关理论基础 有限元软件ANSYS中所提供的Solid65单元，是用来模拟那些抗压能力远远高于抗拉能力的非均匀材料(混凝土、岩石等)的单元。使用该种单元的实体性能能够对混凝土的三个正交方向开裂、塑性变形、压碎和徐变进行模拟，同时能够使用其对加筋性能对钢筋的拉伸、压缩、蠕变和塑性变形进行模拟，对于钢筋的剪切性能不能进行模拟。 Solid65单元中存在8个节点，每个节点存在3个自由度(X，Y，Z三方向的线位移)。其单元性质是8个节点各向同性的材料，包括了一种实体材料以及三种钢筋材料。本试验中对于混凝土和钢筋采用分离式建模，故对于Solid65单元中的MAT选项，只输入混凝土材料的属性。 Solid65单元具体图示说明如下: Solid65单元中所作的假设如下: 只能够在每个积分点的正交方向开裂; 若在积分点上开裂后，则通过对材料属性的调整来模拟开裂，对于裂缝采用分布模型，不用非离散模型; 混凝土材料在初始之时为各向同性; 混凝土能够产生塑性变形，使用Drucker-Prager屈服面模型对其的塑性变形产生的应力应变关系进行模拟。对于此种情况，塑性变形会在假设的开裂以及压碎前发生完毕。 单元线性行为 单元应力应变关系的总刚度矩阵表达式是: NNrrRcRr[]{1}[][]DVDVD,,，,,ii,,11ii N,表示加固材料的数目r注: RV,表示加固物的体积率。对于整体式钢筋混凝土加固物为钢筋，i R则可以看作为钢筋的配筋率Vi c[]D,表示混凝土的刚度矩阵，通过在各向异性材料中插入各向异性 应力应变关系得到的，可表示为: r[]iD,表示第个加固物(钢筋)的刚度矩阵，在单元局部坐标系下，钢筋j 的应力应变关系可表示为: 单元非线性行为 Solid65单元可以对弹性行为以及压碎行为进行预测。在弹性范围中在的时候，对于混凝土的刚度矩阵即上面的弹性矩阵，如果将开裂或者压碎考虑进去，则要对修正上述的矩阵。 1)混凝土开裂的模拟 众所周知，混凝土抗拉性能很差，在拉应力的作用下容易引起混凝土的开裂，裂缝对于构件的性能会产生很大的影响。如何处理裂缝是混凝土单元的有限元分析中的关键问题。 裂缝的主要模式有:离散裂缝模式以及片状裂缝模式。离散裂缝将裂缝模拟 [22]为几何不连续，将裂缝处理为单元边界的分离。ANSYS中对裂缝的处理属于后 [23]一种裂缝模式，在开裂出现后，程序把垂直方向的应力应变关系进行修改，以 ,t此来反映开裂材料性质的变化，与此同时，使用(开裂剪切传递系数)来体现剪切面上在裂缝张开的状态之下剪切刚度发生的变化。 2)混凝土压碎的模拟 在单轴、双轴或三轴压力的作用之下，若某积分点上面的材料失效，则可以认为此点上面的材料压碎了。Solid65单元之中，压碎就表示了材料结构的完整性产生了完全退化。在压碎情况出现时，材料强度退化，以至于在对于的积分点上完全忽略了其对于刚度矩阵的贡献。 本构件的ANSYS模型中将压碎选项作了关闭处理，以此来增强模型的可收敛性，提高其收敛速度。 4.2.2 型钢柱中钢板单元的相关理论基础 ANSYS中提供的Solid45单元是一种构造三维实体结构的单元，此单元是由8节点定义的，其每个节点存在3个沿XYZ方向平移的自由度。此单元有塑性、膨胀、蠕变、大变形、应力强化以及大应变的能力，同时存在用于沙漏控制的缩减积分选项。 Solid45单元具体图示说明如下: Solid45单元无需设置实常数，故型钢柱中钢板的实常数项中只设定Solid45单元的单元编号。 4.2.3钢筋单元的相关理论基础 ANSYS中提供的Link8单元是一种可以应用于多种工程实际的杆单元，可以应用在桁架、杆件、垂缆以及弹簧之中。该单元在每个节点上存在XYZ三个方向上平移的自由度，该单元只能承受在单轴方向上的拉和压。对于销钉式的结构，Link8单元不能够提供弯曲，而能够提供潜变、塑性、应力强化、膨胀和大变形。 Link8单元具体图示说明如下: 4.2.4加固钢板单元的相关理论基础 ANSYS中提供的Shell41单元是一个三维单元，在其平面内存在膜强度，在其平面外不存在弯曲强度。这一特性是壳结构特有的，这是由于其单元弯曲相对而言是次要的。该单元在每个节点上存在XYZ三个方向上平移的自由度，该单元存在应变强度、变厚度材料以及大偏差的选择。 Shell41单元具体图示说明如下: 4.3 单元实常数的设置 本文中对于钢混柱节点构件的ANSYS模型采用的是钢筋和混凝土分离式的建模方式，故在实常数这一选项中不需要对钢筋单元以及混凝土单元进行参数的设置。本模型中，Solid65单元和Solid45单元的实常数均为单元的编号。 本模型中所选用的Link8单元以及Shell41单元需要设置其对应实常数中的一些参数选项。本文中所用到的钢筋输入实常数选项如下图所示: 实常数编号 材料号 直径(mm) 截面面积 (mm2) 1 1 16 201.1 2 1 8 50.2 5 1 20 314.2 6 1 18 254.3 构件中加固钢板使用的是Shell41单元，其实常数中将钢板厚度选项设置为3MM。 4.4 材料的本构关系 4.4.1 混凝土的本构关系 混凝土的本构关系能够反映出混凝土处于多种应力的共同作用下所产生的应力应变关系。混凝土的本构关系主要可以划分为非线性弹性、线性弹性、弹塑性和其它力学理论四大类，非线性弹性以及弹塑性是经常使用的两种本构关系。非线性弹性理论中应力和应变是不成正比的，它们的关系是一一对应的，卸去荷载之后构件无残余变形，应变状态决定了全部的应力状态，加载历史不影响应力状态。弹塑性理论中破坏面和屈服面是分开处理的。根据混凝土的单轴受压试验的结论，混凝土的应力没有达到其强度极限的时候，塑性变形主要影响其的应力应变关系，用到的时屈服面的理论。对于应力应变曲线下降段而言，混凝土中微断裂主要影响了其的非线性关系，也就是损伤断裂对于的关系，使用破坏准则进行判定。 本模型中混凝土单元选用的是弹塑性本构关系中的多线性等向强化模型(MISO模型)。此模型采用的时多线性的应力应变曲线，使用等向强化的Mises屈服准则。该模型能够包括20条不同曲线，且每天曲线中最多可以存在100个不相同的应力应变点。应用这两个模型时应当注意，曲线的第一个点必须与弹性模量相对应，不允许有大于弹性模量或小于零的斜率段，当应变超过输入曲线终 [24]点时，假定为理想塑性材料行为。 本模型中混凝土的本构关系曲线在达到混凝土的屈服强度后没有下降段，这是考虑到使用的有限元软件ANSYS12.0对于混凝土本构关系曲线中下降段识别度低，若存在下降段则不利于分析过程的收敛。 混凝土采用的应力应变关系如下图所示: 4.4.2 钢筋的本构关系 ANSYS中钢材存在两种本构关系，即线性强化弹塑性模型和理想弹塑性模型。本文中全部钢筋(纵筋和箍筋)选取的理想弹塑性模型中的双线性随动强化模型(BKIN)。双线性随动强化模型(BKIN)采用的是Mise屈服准则以及随动强化准则，其通过两条直线段对应力应变关系进行描述。其通过弹性模量、切线模量以及屈服应力来定义自身的应力应变关系，能够定义6种不同温度状态下的应力应变曲线关系。其切线模量不可以小于零，也不可以大于弹性模量。 选取双线性模型时，其应力应变曲线存在两个斜率:弹性斜率以及塑性斜率。对于理想弹塑性模型，其塑性斜率为零;对于线性强化弹塑性模型，其塑性斜率介于零和弹性模量之间的正值。出于对模型收敛性的考虑，本模型选择了理想弹塑性模型，其本构关系图示如下: 4.4.3加固用钢板的本构关系 和上述钢筋类似，本文中对于加固钢板同样使用了双线性随动强化模型 (BKIN)。其相应的本构关系图示如下: 4.5 其它材料参数的设置 ANSYS材料属性的设置选项中，需要定义混凝土以及钢筋、钢板的弹性模量和泊松比，混凝土对于的破坏准则和屈服准则，同时还有钢筋和钢板的屈服准则。 4.5.1 混凝土及钢材的弹性模量、泊松比 52材料 弹性模量(10N/mm) 泊松比 混凝土 0.3 0.2 纵筋 2 0.3 箍筋 2 0.25 加固钢板 2 0.25 4.5.2 混凝土的破坏准则 ANSYS12.0中混凝土破坏准则中有9个参数需要设置。 ShrCf-Op，即张开裂缝的剪切传递系数(0~1)，本文中为缺省设置(0)，即裂缝不传递剪力。 ShrCf-Of-C1，即闭合裂缝的剪切传递系数(0~1)。 UnTensSt，即抗拉强度，本文取3.12。 1。 UnComSt，即单轴抗拉，本文取- BiCompSt，即双轴抗压，本文采用William-Warnke强度模型默认值fcb=fc。 HydroPrs，即静水压力。 BiCompSt，即静水压力下的双轴抗压强度f1=1.45fc。 UnCompSt，即静水压力下单轴抗压强度f2=1.725fc。 TenCrFac，即抗拉力衰减因子，本文取0.6。 4.5.3 混凝土的屈服准则 材料的应力应变曲线关系被初始屈服条件以及破坏条件分成三段: 材料的应力未达到屈服条件的时候，其应力应变关系为弹性关系; 材料的应力超过初始屈服条件但未破坏时，其应力应变关系为塑性关系; 材料的应力达到破坏条件后，材料部分或者全部退出工作。 材料的屈服条件可以判断其在外荷载的作用之下是否产生屈服，表示屈服准则的函数为: F()0,,ij ,—应力状态ij注: F()0,,F()0,,ijij当时，材料为弹性阶段;当时，材料开始屈服。 材料有许多种屈服准则，例如Tresca屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则、Von-Mises屈服准则和Drucker-Prager屈服准则等。 本文中采用的是Von-Mises屈服准则，其具有很强的通用性，在在主应力空间的图示为: 4.5 有限元模型的建立 4.5.1 钢筋及加固钢板单元的建立 本文采用节点法建立钢筋单元和加固钢板单元。首先采用节点法把构件模型梁单元中的纵筋、箍筋和加固钢板建立出来。其次将四根植入钢筋建立出来。最后再次利用节点法将混凝土柱中的纵筋、箍筋及加固钢板建立出来。 在使用节点法的过程中多次使用到了节点的复制命令，通过连接相邻的两个节点而得到钢筋单元(纵筋和箍筋)，通过连接相邻的四个节点而得到加固钢板单元。所得钢筋单元的长度为40mm，加固钢板单元则为40mm×40mm的正方形(厚度为材料定义的3mm)。在建立钢筋及加固钢板单元的过程中也反复用到了循环命令，这样有助于减少工作量，提高命令流的可读性及单元建立的效率。 4.5.2 混凝土单元的建立 在建立钢筋单元及加固钢板单元之后，开始混凝土单元的建立工作。具体作法是先在坐标系中XOY平面内建立起一个实体平面单元，此平面的尺寸等于实体 构件中梁端平面的尺寸，给此平面赋予Plane42单元(用于建立二维实体结构模型)的属性，将该平面中的四条边进行单元划分，进而将该平面进行网格划分。该处网格划分是在充分考虑了之前所建节点之后而进行的，网格划分后平面中新产生的节点和之前所建立的节点在空间位置上完全重合，这样才能够保证在模型后续的分析过程中加载环节的顺利实现。然后再将网格划分完成后的平面延Z轴方向进行拉伸，拉伸长度即实际构件中梁的长度，拉伸过程中将混凝土单元拉成边长为40mm×40mm×40mm的小正方体单元，所有新得到的节点在空间位置上全部与之前建立钢筋单元时所建的节点完全重合。 混凝土柱的建立过程与梁建立过程相似，建立完毕后也得到40mm×40mm×40mm的小正方体单元。 4.5.3 型钢柱单元的建立 在具体的建模过程中将型钢柱拆为多块独立的钢板，将其一一建立，而后进行压缩操作。 实体构件中型钢柱的厚度为10mm，故将模型中型钢柱中单元划为10mm× 20mm的小长方体单元。具体的作法和混凝土单元建立的方式类似:先建10mm× 立平面，划分平面中网格后再进行拉伸操作得到具体的钢板单元。同样的方法将型钢柱中各个钢板建立。 为了防止在加载过程中，产生应力过于集中的现象而将梁中承受荷载的混凝土单元压碎，故模型中建立了三块钢板，分别置于混凝土柱底部用于约束的施加以及梁端部用于荷载的施加。具体的作法和型钢中钢板作法一致。 模型各个部分建立后，对它们进行了合并全部图素(压缩)以及重新编号的操作，以此来缩短分析过程所用的时间。 经过上述操作，最终模型中共有节点12420个，单元9086个。其中，混凝土单元共有3107个;加固钢板共有单元721个;型钢柱及垫块钢板共有单元4054个;钢筋(纵筋和钢筋)共有单元1204个。 所建ANSYS模型如下列图示: (a)ANSYS模型整体图示 (b)梁柱中钢筋单元图示 (c)加固钢板单元图示 (d)型钢柱单元图示 (e)模型中不同材料单元图示 (f)加固钢板单元材料图示 4.6 约束的施加和求解设置 4.6.1 约束条件 在模型建立完成后，需要对其施加约束条件。本着遵循原试验的原则，对模型混凝土梁底部的刚性垫块施加三个方向上的线约束来模拟模型底部的铰接。刚性垫块的厚度为20mm。 4.6.2 荷载的施加 对于模型的加载使用的是位移控制法。在正式进行加载之前，先把梁两端的两个刚性垫块上部平面上的所有节点分别耦合到各自平面的两个点上，在施加Y轴方向反复荷载的时候，只需将荷载分别施加在这两个点上。第一步，在模型型钢柱顶部钢板上施加面荷载，荷载的大小和实际试验中施加的轴力相等;第二步，将型钢顶部钢板延Z轴方向的两个平面设置为铰接连接，保持和实际试验中一致;第三步，在模型混凝土柱下部刚性垫块上施加铰接连接，第四步，在梁两端的刚性垫块上耦合的点上施加延Y方向的反复荷载。 4.6.3 求解设置 在有限元ANSYS求解器中对于求解类型、求解方法、输出文件的选择、迭代次数、子步数的大小、以及收敛精度等都要进行一一设置。对于它们的设置，要根据所建模型和施加荷载的类型以及所分析问题的性质而进行选择。 1)基本选项的确定 对于本文所用模型的分析类型，选用了静态分析(static)。为了加速计算的敛速度，将大变形(nlgeom)开关关闭，将线性搜索(lnsrch)打开。 2)选择输出文件 对于模型，最终需要求得的是它的滞回曲线，基本输出选项(Basic quantities)可以满足这一要求。 3)求解方法的设定 在加载过程中，是将荷载分成多个级别来加上的，这样可以得到加载全过程中位移和应力等信息。这要求使用增量法。将每一级的荷载通过迭代法给构件施加才能保证计算结果的精确程度。故ANSYS中将两种方法结合在一起，进行使用。对于非线性有限元的解法使用的是增量迭代法。 迭代次数和迭代精度 ANSYS中对于迭代次数的默认值是25次，考虑到模型中单元的数目较多，故将迭代次数设置为50次。ANSYS中对于收敛精度的默认值是0.001，本文将收敛精度设置为0.05。 4.7 计算结果的后处理 ANSYS中存在两个后处理器:时间历程后处理器POST26以及通用后处理器POST1。 时间历程后处理器POST26能够检查出模型中指定点对应的特定结果对于频率、时间或者其它结果的变化。对于结构的非线性分析，能够使用图形说明某节点在整个加载过程之中力和变形的曲线关系，可以使用这一功能得到应力应变曲线。 通用后处理器POST1能够检查出模型在某荷载步和子步的结果，能够给出模型在任一时间步的应力、应变、位移和各个方向的分力，其输出的结果可为应力云图，也可为矢量分布图，也可为数据列表。同时，还能够观察某荷载步时候，混凝土的开裂以及压碎的情况。 4.8 有限元分析结果与试验结果对比 经过上述一些列的建模、加载、求解过程，最终，得到了模型的滞回曲线。滞回曲线如下图所示: 实际构件在经过低周反复荷载加载后所得到的滞回曲线为: 60 40 20 0系列1-25-20-15-10-50510152025 -20 -40 -60 由于所建的模型中混凝土单元的尺寸与型钢单元尺寸相差较大，且混凝土单元和型钢单元的刚度差距较大等原因，导致在模型中容易产生应力集中的现象。加之在实际试验中可能会产生的误差等因素，致使对模型进行模拟所得到的滞回曲线和经过实际试验所得到的滞回曲线存在一定的差距，但此差距在允许的范围 之内。这说明了所建模型基本与实际构件相一致，能够真实地反映出实际构件的受力情况。 4.9 本章小结 本章以实际节点构件为样本，设计刚接—钢板加固节点模型，又以框架结构中心节点为参照，模拟地震荷载。利用大型有限元软件ANSYS将构件模型建立起来，有限元模型的尺寸与实际构件基本一致。基于第二章中的有限元理论，结合本试验中构件的特点，对模型的单元类型进行了选取，并对各类型的单元进行了简要的理论说明。在前处理中，选取了模型的单元类型，定义了单元的实常数，确定了材料的本构关系和其它的参数。 对于模型的整个建立过程以及使用到的方法作出了简单的介绍。其中包括钢筋单元、加固钢板单元以及混凝土单元的建立，刚性垫块的建立及其作用。在此基础上，提出了一些在建模过程中需要注意的问题。 在求解器中，对各个相关参数进行了设置，确定了施加在模型上的约束条件，使模型与实际构件受到相同的外部约束。同时对施加在模型上的低周反复荷载作了进一步的介绍。在模型梁两端施加Y轴方向上的低周反复荷载与实际试验中的加载模式一致，能够体现出框架结构中心节点在水平地震荷载作用下的受力情况。模型上所采用的分级加载制度与实际试验中的加载制度相同。 对于模型的求解工作较为繁琐，需要不断地对模型进行修正，经过了漫长的反复修正调试，此中包括对所建模型的完善、调整步长以及修改收敛精度等，最终，求解得出了模型的滞回曲线。经比较，与试验所得结果基本相符，说明了所建模型的正确性，为接下来的工作打下了良好的基础。 第五章 新型连接形式节点模型的建立及受力分析 5.1 新型连接形式节点模型的建立 5.1.1 新型连接形式的选取 在轻钢加层节点抗震性能的试验中，以实际工程为基础分别设计出了四种不同连接形式的节点试验构件，分别为:铰接—U型钢箍加固、刚接—碳纤维加固、刚接—钢板加固和纯刚接。根据我国现行的《建筑抗震试验方法规程》中对于拟静力试验的具体技术要求，针对这四个构件设计出了低周反复荷载试验，以此来模拟地震作用，从而可以得出不同连接形式节点构件抗震性能的差异。经过一些列的试验后，将各个构件所得到的相关参数进行比较，得出的结论是:连接形式为刚接—钢板加固的节点构件抗震性能相对于其它三个构件而言最好。故本文以刚接—钢板加固的节点模型为样本，建立的节点有限元模型，对此模型施加和实际试验中相同的约束以及低周反复荷载后得出滞回曲线、骨架曲线等相关参数。将这些参数与试验中所得参数进行比对后，证实所建立的节点有限元模型真实有效，基本能够正确地反映出实际构件的受力性能。所以可以以此模型为基础，通过改变此模型中型钢柱和混凝土柱的连接方式而得到新的不同连接形式的钢混节点模型。 根据实际工程的需要，结合当前应用较为成熟的技术，本文提出了刚接—钢板碳纤维混合加固连接形式的钢混节点模型。考虑到模型中核心受力区域在梁与混凝土柱相交的部位，故在原有钢板加固的基础上，再对构件模型核心受力区域进行碳纤维加固，最终形成了钢板、碳纤维混合加固的形式。 5.1.2 刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的建立 和刚接—钢板加固节点有限元模型建立时所用到的单元相同，在刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的建立过程中使用了Solid65单元、Solid45单元、Link8单元、Shell41单元以及Plane42单元。其中，Solid65单元用于混凝土的建立;Solid45单元用于型钢以及刚性垫块的建立;Link8单元用于钢筋的建立;Shell41单元用于加固钢板以及加固碳纤维布的建立;Plane42单元用于在实体单元建立时过渡单元的建立。所有到的各个单元在上述文章中已经给出了简 单的介绍，在这里不再加以说明。 在刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型中，对于所用到的各个单元实常数的设置与上述刚接—钢板加固节点有限元模型中所用到的实常数一致。对于新出现的加固碳纤维单元中实常数的设置，将其实常数中厚度选项设为0.334。本文选用的是高强?级加固碳纤维布，厚度为0.167mm，在给构件进行加固的过程中，用碳纤维布对构件进行两次缠绕加固，故其实际厚度为0.167mm×2=0.334 mm。 在刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型中，所用到的各个单元的本构关系同上述刚接—钢板加固节点有限元模型中各个单元所用到的本构关系一致。新增添的碳纤维单元选取的理想弹塑性模型中的双线性随动强化模型(BKIN)。对于双线性随动强化模型(BKIN)在本文第四章中作了简单的介绍，故在此不再加以说明。所有碳纤维布的弹性模量选为225GPa，屈服强度设置为4300MPa，伸长率选为1.9。其相应的本构关系图示如下: 刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的具体建立方法和第四章中所述的刚接—钢板加固节点模型建立过程中所用到的方法相似，即先通过节点将钢筋(纵筋和箍筋)单元、加固钢板单元和加固碳纤维单元建立，而后用实体法建立混凝土单元。由于所建的刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的尺寸与刚接—钢板加固节点模型尺寸相同，故给其施加与后者相同的边界约束条件和低周反复荷载，选取相同的求解器，对其进行加载、求解。 ANSYS所建刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型如下图所示: (a)加固钢板单元图示 (b)加固碳纤维单元图示 (c)ANSYS模型整体图示 (d)各加固材料单元图示 经过对所建立的刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型进行求解后，可以得到其在低周反复荷载作用下的滞回曲线为: 5.2 刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型的受力分析 根据以往学者的研究，一般情况下梁柱交接区域是地震作用下混凝土节点的核心受力区域。经过低周反复荷载试验后，得到的刚接—钢板加固节点模型和刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型为: 刚接—钢板加固节点模型 刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型 (1)骨架曲线比较 经过低周反复加载试验后，两模型所得到的骨架曲线为: 60 40 荷载(KN)20 0 -30-20-100102030 -20位移(mm) -40 -60钢板加固模型混合加固模型 通过上图可以分析出，刚接—钢板加固模型和刚接—钢板碳纤维混合加固模型经过相同的低周反复荷载试验后所得到的骨架曲线较为相似。在屈服之前，混合加固模型的刚度相对大一些，屈服荷载以及屈服位移也要大一些。混合加固模型所得到的骨架曲线的最大承载力和极限位移较之钢板加固模型而言要大一些。可见，在钢板加固的模型中再加入碳纤维布后有助于提高模型的极限承载力，但对于极限承载力的提高作用并不是很明显。钢板碳纤维混合加固模型所得到的极 限位移较之单纯的钢板加固模型而言也有所增大，但增大幅度不是很高。 (2)滞回曲线比较 在滞回曲线中，单圈滞回曲线包围的面积能够表示节点或者构件处于低周反复荷载作用之下能够吸收的能量。单圈滞回曲线所包围的面积越大表明该种节点或者构件的吸收能量能力越强。它是衡量节点或者构件处于低周反复荷载作用下吸收耗散能量能力大小的重要标志。 典型滞回曲线的形状可以分为四种:梭形、弓形、反S形以及Z形。 梭形的滞回曲线形状很饱满，其能够反映出节点或者构件具有很强的塑性变形能力。 弓形滞回曲线存在“掐缩”效应，反映出滞回曲线受到了滑移影响，其所对应的滞回曲线形状较为饱满，能够说明具备此类滞回曲线的节点或者构件的塑性变形能力较强。 反S形滞回曲线能够反映出此种滞回曲线受到了更多的滑移影响。此种滞回曲线的形状不饱满，具有此类滞回曲线的节点或者构件所具有的耗散能量的能力较弱。 Z形滞回曲线具有滑移性质，其形状很不饱满，具有此种滞回曲线的及诶单或者构件的吸收能量的能力很差。 两个有限元模型所得到的滞回曲线分别如下图所示: 钢板加固节点模型滞回曲线 钢板碳纤维混合加固节点模型滞回曲线 通过对上述两个模型所得滞回曲线的比较，可以分析得出这两个模型所得到的滞回曲线均为Z形滞回曲线。也就是这两个模型的耗散能量的能力都不是很强。从图中可以明显地看出，刚接—钢板碳纤维加固节点模型滞回曲线所包围的面积要大于刚接—钢板加固节点模型所对应的滞回曲线所包围的面积。进而，可以得出结论:刚接—钢板碳纤维混合加固节点模型在同样的低周反复荷载作用下耗能能力要强于刚接—钢板加固节点模型所具有的耗能能力。 (3)延性系数比较 节点或者构件中某截面从屈服开始，达到最大承载力或者达到后承载力没有产生明显下降这一期间内所具备的变形能力，就是延性。其是抗震设计中的一个重要的指标。延性系数可以用来反映节点或者构件所具有的延性能力。 两模型所具有的延性系数为: 模型 正向屈服正向极限正向位移反向屈服反向极限反向位移 位移(mm) 位移(mm) 延性系数 位移(mm) 位移(mm) 延性系数 钢板加固9.68 18.2 1.88 9.68 17.1 1.77 模型 混合加固9.87 19.2 1.99 9.87 18.9 1.92 模型 通过上表可以看出:节点模型所得的正向延性系数与反向延性系数之间存在 着一定的差别，反向延性系数较小。这是由于施加于钢柱顶部的竖向轴荷载较小，反向进行加载试验的时候，混凝土核心受力区域得到的约束较小，导致此时混凝土承载力的提高不是很明显。 通过对上图的分析可以得知，使用碳纤维布对钢混柱节点进行加固可以提升节点的延性。 5.3 本章小结 本章在前一章所建立的真实有效的有限元节点模型的基础之上，进一步研究不同加固连接形式对于钢混节点的抗震性能的影响。在原有刚接—钢板加固模型的基础上建立了刚接—钢板碳纤维加固的节点模型。并且对于此模型施加同刚接—钢板加固模型相同的边界约束条件以及相同的低周反复荷载，对其进行模拟地震作用。通过得到其滞回曲线、骨架曲线的相关参数进一步判断新建模型抗震性能的好坏。对于新建立的模型重点分析碳纤维布对于节点抗震性能的影响。 通过比较两个不同连接形式节点模型而得出下列结论: 1)当节点处在弹性阶段之时，节点加固方式的变化对于节点滞回曲线以及骨架曲线影响几乎没有。 2)当节点进入塑性阶段之后，碳纤维加固方式对于节点模型在低周反复荷载作用下极限承载力的提高作用不是很明显;而对于节点模型的耗散能量能力具有较为显著的提高作用;同时对于节点的延性也存在一定的增强作用。 3)通过得到的滞回曲线可以判断出轻钢加层中钢柱和混凝土柱相交的钢混柱节点模型的抗震性能较差。 结论与展望 本文结论 本文在现实节点试验的基础上，通过大型有限元软件ANSYS，对试验中抗震性能最好的连接形式的节点构件(刚接—钢板加固)进行了模拟，并对其模拟施加低周反复荷载，得出滞回曲线等相关参数。然后在刚接—钢板加固模型的基础之上通过改变节点的连接加固形式得到刚接—钢板混凝土混合加固模型。对其模拟施加低周反复荷载，得出相关参数，从而判断混合加固模型的抗震性能的优劣。在分析对比所建的两个节点模型的后，可以得到以下的结论: 1)通过ANSYS分析所得到的结果，能够证明出此类钢混柱节点构件通过有限元软件ANSYS所建立的模型在低周反复荷载作用下的合理性和可行性。 2)将ANSYS所建立的节点模型所得到滞回曲线和实际构件所得到的滞回曲线进行对比，可以得出所建ANSYS模型基本能够反映出实际构件的受力性能，说明模型真实有效。 3)将ANSYS所得到的滞回曲线、骨架曲线、延性系数进行分析。在低周反复荷载作用下，节点的滞回曲线呈现Z形，说明其抗震性能较差。当节点处在弹性阶段的时候，骨架曲线的斜率基本一致，节点进入屈服阶段后，骨架曲线的斜率变小，说明其刚度退化。 4)将所建的两个节点模型所得到的滞回曲线、骨架曲线进行比较分析可以得出:碳纤维加固的方式对于节点在低周反复荷载作用下极限承载力的提高作用不是很明显，对于节点的耗能能力以及延性的提高作用很显著。 展望 本文对于钢混柱节点不同连接方式的构件从抗震性能方面做了分析和研究，通过有限元软件ANSYS对节点构件进行了相应的建模，并加以分析，得出相关的结论。着重从刚接—钢板加固和刚接—钢板混凝土混合加固这两种加固连接形式展开节点抗震性能的研究。但是，这些研究是远远不够的，对于此类问题具有以下的展望: 1)本文只选取了框架结构中“中节点”进行研究，对于框架结构中的“角节点”以及“边节点”没有进行抗震性能的研究。“角节点”和“边节点”与“中节点”的受力性能存在着一定的差异。 2)本文着重研究了钢板加固形式以及钢板碳纤维混合加固形式对于钢混柱 节点抗震性能的影响，然而影响钢混柱节点抗震性能的因素还有很多，例如:上部型钢柱的形状、加载钢柱上方的轴压比等等。 3)本文在建立ANSYS模型时，没有考虑钢筋与混凝土之间存在的相互滑移的现象。对此，可以作进一步的研究。 4)出于收敛性能的考虑，本次建模中混凝土以及钢筋单元所用到的本构关系不存在下降段，计算过程中用到的是ANSYS中自身的W—W破坏准则。对此，可以作后续的研究。 参考文献 [1]高剑平.国内外既有房屋加层改造发展概况[J].华东交通大学学报,2006, 23 (2):1-4. 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