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1、东南大学学报990215东南大学学报JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY1999年 第29卷 第2期 vol.29 No.2 1999钢－混凝土组合结构的非线性有限元分析方立新 宋启根 陈绍礼摘 要 提出了一种基于构件截面分层研究的钢-混凝土组合梁柱单元,由于它较准确地考虑了混凝土开裂软化以及钢的应变硬化等材料非线性的影响,同时也考虑了构件各截面的中和轴变化且单元在变形过程中保持了轴向力的平衡,避免了常用梁柱单元受等轴向应变假定的限制,因而放宽了单元划分的要求.该方法简单有效,易于在计算机上实现,适合于对具有组合构件的结构作整体的极限状态分析.关键词 组合构件;混凝土翼
2、板;钢结构;非线性有限元分类号 TU398NonlinearFEMAnalysisofSteel-ConcreteCompositeStructureFangLixinSongQigen(CollegeofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)ChanSiulai(HongKongPolytechnicUniversity)Abstract:Thispaperproposesanefficient,robustandaccuratemethodbylayeredapproachtomember'ssectionalcharac
3、teristicsallowingfortheeffectsofconcretecrackingandsteelyieldingincompositestructure.Themember'smoment/displacementmatrixisformulatedandevaluatedbyanefficientnumericalintegrationschemeallowingforshiftofneutralaxisandvariationofaxialstrainalonganelement,demonstratingthepotentialscopeofapplicationfo
4、rthedevelopedcomputermethod.Keywords:compositemember;concreteslab;steelstructure;nonlinearfiniteelement 钢－混凝土组合结构是钢结构的一种形式,它的结构构件由2种不同材料组成,不仅节省钢材,而且提高了构件的强度和刚度.例如钢结构中常见的组合楼盖,就是其中一种形式.它的钢梁和钢筋混凝土楼板间有足够的抗剪联接,形成整体共同工作;由于混凝土翼板的组合作用,不仅节省了型钢设计量,同时混凝土翼板能有效地抑制钢梁的局部屈曲失稳,有效提高了构件的延性.但另一方面,有关组合梁构件的设计规范却比较粗略和保
5、守,没有考虑混凝土的开裂压碎等因素对构件强度和刚度的影响;对这种结构作整体计算分析时,一般将组合梁划分成弹性有限单元,例如混凝土完全视为线弹性材料［1］,或者将组合构件的开裂截面和未开裂截面的刚度取平均值作为均匀刚度的单元［2］;当求出单元的节点力后,再按塑性方法对构件进行极限状态设计,因此结构的整体分析和单个构件的强度校核各自依据的原则前后不相容.至于所谓精确的有限元如塑性区法,虽然能考虑几何材料等非线性因素,但相当复杂,不适合作为工程师的结构分析手段. 本文对工程常用的Cubic单元加以改进,对组合构件进行分层处理,每一层内考虑了材料的非线性本构关系以确定混凝土开裂或钢的硬化等因素的
6、影响.同时本文分析Cubic单元的轴向变形时采用了符合组合构件实际情况的等轴向力假定,而不是通常的梁柱单元所假定的等轴向应变,因此无须将单元划分很密,每根组合构件只需较少单元就可对结构进行比较准确的有限元分析.1 分析与计算file:///F
7、/qikan_htm抽取_2000before/kjqk(200810)/dndxxb/dndx99/dndx9902/990215.htm（第1／6页）2009-12-3115:20:20东南大学学报990215 本文提出的有限元模型适合多种形式的组合梁柱,但文中所有的分析和计算都以梁与混凝土翼板完全联接的平面钢结构作为例子,这种结构的梁在正负弯
8、矩区刚度相差很大.1.1 截面的分层77-1.gif(2335bytes)图1 组合梁截面的分层及应变分布的变化 由于组合构件包含2种不同材料,采用分层法分析将较为精确.图1显示了一组合构件的截面分层情况.我们假定组合梁通过全联结设计的剪力器相联结,并认为梁截面在变形后仍保持平面则截面上各层纤维的应变可表示为 εy=εref+yφ (1)式中,εref为一选定的参照轴上的纤维应变;φ为截面曲率. 根据上式的应变
