ABAQUS子結構法在超限高層復雜節點應力分析中的應用

覃建華

（深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東 深圳 518031）

前言

ABAQ US的應用范圍越來越廣泛，其強大的功能得到廣泛認可，被認為是功能最強大的有限元分析軟件之一，在建筑行業發揮的優勢是較為明顯的。ABAQUS的分析內容涉及到多個學科和多個專業，主要包括復雜的固體力學、結構力學系統，其顯著特征是能夠對龐大復雜的問題進行科學分析。

子結構方法的應用已將越來越廣泛，這一方法主要是將模型的局部作為一個整體來處理，這也是其特殊之處。在進行處理的過程中其內部自由度獲得更高程度的縮聚，因此只保留了與外部有連接關系的自由度，這便從很大程度上減小了剛度矩陣和質量矩陣的規模和計算量。也是因為其這些優點，ABAQUS子結構法在超限高層復雜節點應力分析中的應用受到越來越多的重視和認可。子結構中總位移與總應力可以通過等效位移和等效應力、子結構余留自由度與位移或應力的線性轉換關系等幾個參數進行表示。

1 超限高層復雜節點應力結構

鋼骨混凝土結構主要是鋼骨以及混凝土構成的，通常是在鋼骨周圍配置鋼筋，并澆筑混凝土的結構。按照實際需要不同，鋼骨分為實腹式和空腹式，目前實腹式使用較多。實腹式鋼骨混凝土構件的顯著特征是具有較好的抗震性能，而空腹式鋼骨混凝土結構構件的抗震性能則與普通的鋼筋混凝土結構較為相似。為了更好的保證建筑物的抗震性性能，目前采用實腹式鋼骨混凝土的結構較多。

ABAQUS子結構分析模型的建立也是多種多樣的，可以在實際工作中進行合適的選擇。通常情況下，建立的結構模型主要包括實體單元、殼單元、線單元等幾種單元類型。復雜節點精細化分析模型能夠更好地提高分析的效果與質量。通常情況下，復雜節點精細化模型的所采用的邊界條件常常是位移邊界條件，分析結果的多樣性減小了分析工作的難度。

2 ABAQUS子結構法在超限高層復雜節點應力分析中的應用

子結構方法的主要特征是將模型的局部作為一個整體來處理，以此達到縮聚其內部自由度的目的。內部自由度經過縮聚之后便只保留了外部有連接關系的自由度，在這一作用下剛度矩陣和質量矩陣的規模和計算量都會有一定程度的減小。子結構中總位移或總應力通常情況下應該進行科學的分析，在過去很長一段時期內一般都表示成子有限元分析的結構方法，這一方法是嶄新的，正在運用中表現出強大的功能。這一分析方法不但可以在有限的計算資源上分析復雜的工程，大大提高計算和分析的效率以及準確度，也可以對復雜結構的局部進行精細分析。

鋼骨混凝土構件的內部鋼骨與外包混凝土形成一個緊密的整體，這兩部分共同承受來自外界的壓力[1]。但是，值得引起我們注意的是這兩個部位的受力整體性能并不是這兩種結構受力的簡單疊加。實際情況是鋼骨混凝土結構的受力性能優于兩種結構受力性能的簡單疊加。與傳統的鋼筋結構相比，鋼骨混凝土結構的外包混凝土是承受壓力的主要部分，其所起的主要作用是防止鋼構件的局部屈曲，并從很大程度上提高了鋼構件的整體剛度。在鋼構件整體剛度大大提高的情況下，鋼構件出平面扭轉屈曲性能也得到更大程度的發揮，在這種結構搭配下鋼材的強度得到更加充分的發揮。

另外，外包混凝土從更大程度上提高了結構的耐火性和耐壓性。與RC結構相比，SRC結構中多了鋼骨的配置[2]，這是其承載能力的大大提高的關鍵所在。實踐證明，采用實腹鋼骨的SRC構件相對于采用空腹剛筋骨的SRC構件的承載力更高，并大大改善了受剪破壞時的脆性過高易碎裂的性質，提高了結構的抗震性能。另外，我們還應該認識到SRC結構的配筋構造較為復雜，其設計與施工都應該引起高度重視。尤其是在工程設計階段應該科學統籌，全面考慮細節問題，避免給施工留下隱患。伴隨著新材料的不斷出現以及新技術的不斷應用，型鋼混凝土與鋼管混凝土結構理論的成熟和完善，其應用范圍越來越廣泛，其優勢也得到越來越多的認可，特別是在高層建筑中的發展很快。同時，我們還應該清醒的認識到這一結構具有構造復雜的特點，并且受到了各種復雜因素的影響，其框架節點在設計理論和實際應用中存在諸多限制問題，成為型鋼與鋼管混凝土結構快速推廣應用的主要障礙。

目前，節點局部應力分析方法主要有理論分析和有限元模擬兩種方法[3]。但是，有限元分析法正在逐漸成為主流，這主要是由于節點構造形式越來越復雜引起的。而ABAQUS所提供的子結構法克服了節點構造越來越復雜的難題，它通過縮減結構內部自由度，只保留局部自由度，提取整體結構在節點周圍的邊界條件，保證節點局部應力分析的正確性和可靠性[2]。

另外，對節點進行有限元分析，搞清楚該復雜節點在大震作用下的受力性能，獲取相關的數據，為超限高層結構復雜節點的設計提供參考是一個極為重要的問題。型鋼混凝土三叉柱和鋼管混凝土三叉柱在大震作用下，該三叉柱節點均進入塑性階段。雖然遇到大震作用，節點仍在安全階段，依然能夠承受壓力。鋼管混凝土在小震作用下，結構安全儲備較高，在中震作用下，鋼管又較早的屈服[3]。三叉柱并不會受到小震作用的嚴重影響，當承受小震影響時節點均處于彈性狀態，混凝土、型鋼和鋼筋的應力水平不會發生較大變化，仍然處于基本適中的狀態。但是，三叉柱在中震作用下時鋼筋已經受到影響進入屈服階段，二型鋼尚未屈服。三叉柱在大震作用下，型鋼和鋼筋的塑性應變都未超過極限應變，節點處于安全階段。

復雜節點精細化分析模型的邊界條件采用位移邊界條件，分析結果復雜多樣，可以較好地滿足各種需求，主要包括混凝土的主拉應力，混凝土的最大壓應變，型鋼、鋼筋及鋼管的Mises應變和塑性累計變形。

結語

ABAQUS子結構法在超限高層復雜節點應力分析中的應用前景廣闊。子結構方法的優勢主要體現在其從縮減結構自由度出發，通過科學的計算避免了一般方法將簡單問題復雜化的缺點，這一優勢為復雜節點局部應力分析提供了一種方便快捷的辦法，也從更大程度上增強了分析的科學性。在很多建筑結構中通過使用子結構方法對三叉柱部分進行ABAQUS有限元分析，可以得出更加精確的結果和性能分析。例如，經過ABAQUS子結構法我們可以比較精確和直觀的得出節點在地震作用下的受力性能，在對受力性能進行分析的基礎上可以精確得出各部件的受力情況是否滿足規范的要求。在經過這些受力情況計算之后超限高層結構設計的設計將會更加科學。

[1]王雨生，王曙光，王滋軍.基于ABAQUS子結構法對超限高層復雜節點的應力分析［J］.建筑科學，2012，(09).

[2]浮志強，何競飛，鄧華.基于ABAQUS的夾鉗鉗口有限元應力分析［J］.機械工程與自動化，2011，（02）.

[3]鄭秀敏，劉其廣.基于Abaqus的漿液攪拌車驅動輪輪緣的結構應力分析［J］.微計算機信息，2012，（05）.