框架梁與剪力墻直交節點彈性有限元分析

余賓寧 李志亮

（1、重慶大學土木工程學院,重慶 400045 2、機械工業部第六設計研究院重慶分院，重慶 401120）

1 引言

隨著我國經濟水平的快速發展和結構技術的提高，全國各地涌現出大量的高層建筑，鋼筋混凝土框架-剪力墻結構和框架-核心筒結構在高層建筑中得到了廣泛應用。因建筑使用功能和結構布置的要求，兩種結構體系均會出現框架梁垂直剪力墻平面支承于墻上而形成梁－墻平面外連接節點的情況，稱之為框架梁-剪力墻直交節點。結合工程實際，文章對框架梁-剪力墻直交節點設計了相應的試驗方案，并用ABAQUS對其進行彈性有限元分析。

2 ABAQUS簡介

ABAQUS是功能強大的有限元分析軟件，它可以分析復雜的固體力學和結構力學系統，模擬非常強大的復雜模型，處理高度的非線性問題。它對每個部件定義材料參數，劃分網格，然后將它們組裝成完整模型。ABAQUS不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以完成系統級的分析和研究。用戶只需提供結構的幾何形狀、材料特性、邊界條件和荷載工況等工程數據。由于ABAQUS強大的分析能力和模擬復雜系統的可靠性，它在各國的工業和研究中得到廣泛應用，在大量的高科技產品開發中發揮著巨大的作用。

3 試驗設計

3.1 試件幾何尺寸

彈性分析以一個基本模型為基準，通過改變參數，對比計算結果與基本模型結果，獲得各參數影響規律。基本模型剪力墻尺寸（長×高×墻厚）為 1500mm×1500mm×150mm，梁截面尺寸為200mm×400mm，梁長1350mm。試件QL-1的幾何尺寸圖如圖1所示。

墻-梁平面外連接節點由梁和墻組成，其受力性能與梁和墻關系密切，根據已有研究資料和試驗結果，影響墻-梁節點截面力分布和變形性能的可能主要因素為節點邊界條件、墻高H、墻長L、墻厚t、梁高h、梁寬b、抗彎條帶剛度、抗扭條帶剛度以及軸壓比等。在實際工程中，墻的軸壓比通常不大，因此本試驗采用一較低軸壓比。各試件采用相同的軸力，其實際試驗軸壓比均為0.1左右。

3.2 試驗加載裝置

試驗加載裝置圖如圖2所示。剪力墻下部地梁用鋼壓梁與地面固定，剪力墻上部用1500千牛油壓千斤頂施加軸壓比為0.1的豎向荷載，千斤頂下面設有高度為450mm的較大剛度的工字型鋼梁，使豎向荷載均勻地分配到剪力墻的上端。試件懸挑梁端用250千牛、行程為500mm的拉壓千斤頂施加靜力低周反復荷載，其作用點距離剪力墻的邊緣距離為1.2m。圖2給出了試件QL-1實際加載裝置圖，其他試件裝置圖與之相同。

4 ABAQUS彈性有限元分析

4.1 模型的建立

模型的建立是在大型通用有限元分析軟件ABAQUS的前處理環境中進行的。根據需要，我們對模型進行了相應的簡化。框架梁3個方向的尺寸較其他2個方向的尺寸都不是很小，將其設置為三維實體單元（Solid），剪力墻厚度方向的尺寸比其他2個方向的小很多，將其設置為殼單元（Shell）。基本模型剪力墻尺寸（長×高×墻厚）為1500mm×1500mm×150mm，梁截面尺寸為400mm×200mm（高×寬），梁長為1000mm。試件QL-1的材料為鋼筋混凝土，其本身具有非線性的特性，為將其簡化為彈性分析，因此將鋼筋混凝土簡化為用彈性材料模型，其彈性模量為E=30000MPa，泊松比為μ=0.2，密度為ρ=2500kg/m3。

框架梁與剪力墻的幾何模型分別建立后，在ABAQUS中的Assembly模塊下進行組裝，梁與墻的相對位置應與試件QL-1的一致。組裝好后的模型，框架梁與剪力墻并沒有發生任何相互作用，應對梁與墻連接處采用綁定（Tie）約束，保證在整個模擬過程中，與梁連接的部分墻受三維實體梁的約束而與梁保持相同的自由度，也使得節點處的變形協調。

為了方便獲得墻的截面剪力、彎矩等結果，直觀顯示截面力分布規律，節點模型中墻采用殼體單元（SC8R），簡化了采用實體單元時截面力需要單元應力沿墻厚進行積分的過程，梁則采用八節點減縮積分格式的三維實體單元（C3D8R）。為模擬框架梁-剪力墻直交節點試驗的邊界約束，模型中的邊界條件為墻上、下皆為鉸接，使其固定住。試件加載的位置在框架梁端部，因此我們建模時在梁端部設置一個參考點RP-1，使得該點與梁的橫截面端部建立耦合約束（Coupling）。在參考點點處施加向下荷載100kN，該點將帶動框架梁梁端面一起向下運動，達到施力的目的。

4.2 分析結果

將建立好的模型帶入ABAQUS中的Job模塊中進行分析，其分析作業的類型（Job type）為完全分析（Full analysis），其分析后模型的Mises應力云圖如圖3所示。

由此可知：

a.梁由于在自由端受到向下的拉力，有向下撓曲的現象，其最大位移為-1.38126E+00mm，剪力墻受到梁的牽動，由于在節點處與框架梁變形協調，因此在中心處有向梁方向鼓曲的趨勢。b.剪力墻所受到的應力在梁-墻節點處最大，最大值為1.481E+01Mpa，并由節點處向四周呈均勻擴散的趨勢，框架梁節點處邊緣所受到的應力最大（在梁節點的頂部纖維和底部纖維處），最大值為1.481E+01Mpa，并且一方面向著梁自由端擴散，另一方面向截面中和軸的方向擴散，在梁截面中和軸位置，受到的應力為0，梁的應力的分布與懸臂梁的應力分布規律一致。

5 結語

5.1 本文以高層建筑中的框架梁-剪力墻直交節點為研究對象，建立了簡化的有限元模型，并對其進行了彈性階段的有限元分析。

5.2 由分析可知，框架梁在節點處的應力最大，但厚度不大的剪力墻并沒有相應的空間留給梁鋼筋有足夠的錨固長度，使得節點的承載力不足，解決的辦法有在節點位置設置暗柱，進行節點的加固，還有在墻上節點位置設置橫向明梁，以增強框架梁的錨固長度。

5.3 該模型只是進行了簡單的彈性分析，并沒有考慮鋼筋混凝土材料的非線性性質，而剪力墻簡化為殼單元，并沒有按照實際的尺寸建模，其分析比較粗略，更精確的建模分析有待后續的研究。

[1]中華人民共和國國家標準.GB50010-2002.混凝土結構設計規范.北京.中國建筑工業出版社.

[2]中華人民共和國行業標準.JGJ3-2002，J186-2002.高層建筑混凝土結構技術規程.北京.中國建筑工業出版社.2002

[3]楊華，錢稼茹，趙作周.鋼筋混凝土梁－墻平面外連接節點試驗.建筑結構學報.2005.8

[4]朱祖敬.鋼筋混凝土梁－薄墻正交節點試驗研究.重慶大學碩士論文[D].2006.6.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京.機械工業出版社.2006.6