钢筋混凝土框架结构的有限元分析
钢筋混凝土框架结构的有限元分析
[摘要]利用ANSYS软件建立一榀三层框架模型,对该结构模型进行非线性有限元分析,得出框架结构在一定荷载作用下的破坏特征。
【关键词】ANSYS;框架;非线性
1、框架尺寸和材料参数
框架模型为单跨三层结构,跨度和层高尺寸见图1,结构选用混凝土等级为C30,梁柱截面尺寸及配筋情况见图2。钢筋及砼强度设计值通过查阅《混凝土结构设计规范》取得。
2、分离式建模
采用link8,Solid65单元分别模拟钢筋和混凝土,保护层厚度取2cm。ANSYS中对模型的网格划分方法有映射网格划分和自由网格划分两种。自由网格划分对于单元形状没有限制,并且没有特定的准则,映射网格划分对单元形状有限制。且须满足特定规则,映射面网格只包含四边形和三角形单元,映射体网格只包含六面体单元,映射网格具有规则的形状,明显成排的单元,如果要用这种网格类型,须将模型划分成相当规则的体和面,但映射网格有利于结点数据的储存,使得计算速度快耗时少。由于框架几何形状比较规则,采用映射划分网格,单元均采用六面体划分网格,单元最小尺寸为2cm(见图3)。为避免加载点砼出现局部破坏而影响计算结果,在加载点设置垫块并将集中荷载等效为垫块区域均布荷载。
3、有限元计算与结果分析
一次性施加竖向荷载,在左侧柱顶分步逐级施加水平右向荷载(加载图参见图1),图4、图5分别为开裂裂缝图和破坏裂缝图,结构开始出现裂缝时的荷载为6KN,钢筋屈服荷载为36KN,结构破坏荷载58KN。当荷载加至6KN时,梁端最先出现裂缝,然后裂缝向梁中间延伸,随着梁端裂缝的增长增多,柱子底部出现水平裂缝和拉裂裂缝,裂缝不断增多并向上延伸,当荷载加至36KN时,梁端钢筋开始屈服,标志着结构从弹性阶段开始过度到弹塑性阶段,由于顶梁比第
一、二层梁截面尺寸和配筋小,顶梁裂缝最多破坏最严重,当荷载加至58KN时,梁端纵筋和柱底纵筋达到极限强度,梁柱节点区域出现许多裂缝,以致整个结构彻底破坏而计算停止。从整个破坏过程来看,梁先于柱子破坏,是明显的强柱弱梁破坏机制,这也说明该框架结构具有良好的抗震性能。