ABAQUS子结构法在超限高层复杂节点应力分析中的应用

摘 要：ABAQUS子结构方法在研究超限高层建筑复杂节点受力性能中的应用已经得到业界的普遍认可。通常情况下，基于ABAQUS子结构法在超限高层复杂节点应力分析中的模型是较为复杂的，经过长期的实验和研究，我们认为如果复杂节点处于大震作用下，将会对建筑物混凝土的最大压变产生明显影响，最大压变将会在此状况下超出已有的规范限值。同时，在此阶段型钢和钢筋均已进入塑性阶段，但都未超过各自的极限应变，节点尚处安全阶段。

关键词：ABAQUS；复杂节点；应力分析；子结构

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）03-0153-02

前言

ABAQ US的应用范围越来越广泛，其强大的功能得到广泛认可，被认为是功能最强大的有限元分析软件之一，在建筑行业发挥的优势是较为明显的。ABAQUS的分析内容涉及到多个学科和多个专业，主要包括复杂的固体力学、结构力学系统，其显著特征是能够对庞大复杂的问题进行科学分析。

子结构方法的应用已将越来越广泛，这一方法主要是将模型的局部作为一个整体来处理，这也是其特殊之处。在进行处理的过程中其内部自由度获得更高程度的缩聚，因此只保留了与外部有连接关系的自由度，这便从很大程度上减小了刚度矩阵和质量矩阵的规模和计算量。也是因为其这些优点，ABAQUS子结构法在超限高层复杂节点应力分析中的应用受到越来越多的重视和认可。子结构中总位移与总应力可以通过等效位移和等效应力、子结构余留自由度与位移或应力的线性转换关系等几个参数进行表示。

1 超限高层复杂节点应力结构

钢骨混凝土结构主要是钢骨以及混凝土构成的，通常是在钢骨周围配置钢筋，并浇筑混凝土的结构。按照实际需要不同，钢骨分为实腹式和空腹式，目前实腹式使用较多。实腹式钢骨混凝土构件的显著特征是具有较好的抗震性能，而空腹式钢骨混凝土结构构件的抗震性能则与普通的钢筋混凝土结构较为相似。为了更好的保证建筑物的抗震性性能，目前采用实腹式钢骨混凝土的结构较多。

ABAQUS子结构分析模型的建立也是多种多样的，可以在实际工作中进行合适的选择。通常情况下，建立的结构模型主要包括实体单元、壳单元、线单元等几种单元类型。复杂节点精细化分析模型能够更好地提高分析的效果与质量。通常情况下，复杂节点精细化模型的所采用的边界条件常常是位移边界条件，分析结果的多样性减小了分析工作的难度。

2 ABAQUS子结构法在超限高层复杂节点应力分析中的应用

子结构方法的主要特征是将模型的局部作为一个整体来处理，以此达到缩聚其内部自由度的目的。内部自由度经过缩聚之后便只保留了外部有连接关系的自由度，在这一作用下刚度矩阵和质量矩阵的规模和计算量都会有一定程度的减小。子结构中总位移或总应力通常情况下应该进行科学的分析，在过去很长一段时期内一般都表示成子有限元分析的结构方法，这一方法是崭新的，正在运用中表现出强大的功能。这一分析方法不但可以在有限的计算资源上分析复杂的工程，大大提高计算和分析的效率以及准确度，也可以对复杂结构的局部进行精细分析。

钢骨混凝土构件的内部钢骨与外包混凝土形成一个紧密的整体，这两部分共同承受来自外界的压力[1]。但是，值得引起我们注意的是这两个部位的受力整体性能并不是这两种结构受力的简单叠加。实际情况是钢骨混凝土结构的受力性能优于两种结构受力性能的简单叠加。与传统的钢筋结构相比，钢骨混凝土结构的外包混凝土是承受压力的主要部分，其所起的主要作用是防止钢构件的局部屈曲，并从很大程度上提高了钢构件的整体刚度。在钢构件整体刚度大大提高的情况下，钢构件出平面扭转屈曲性能也得到更大程度的发挥，在这种结构搭配下钢材的强度得到更加充分的发挥。

另外，外包混凝土从更大程度上提高了结构的耐火性和耐压性。与RC结构相比，SRC结构中多了钢骨的配置[2]，这是其承载能力的大大提高的关键所在。实践证明，采用实腹钢骨的SRC构件相对于采用空腹刚筋骨的SRC构件的承载力更高，并大大改善了受剪破坏时的脆性过高易碎裂的性质，提高了结构的抗震性能。另外，我们还应该认识到SRC结构的配筋构造较为复杂，其设计与施工都应该引起高度重视。尤其是在工程设计阶段应该科学统筹，全面考虑细节问题，避免给施工留下隐患。伴随着新材料的不断出现以及新技术的不断应用，型钢混凝土与钢管混凝土结构理论的成熟和完善，其应用范围越来越广泛，其优势也得到越来越多的认可，特别是在高层建筑中的发展很快。同时，我们还应该清醒的认识到这一结构具有构造复杂的特点，并且受到了各种复杂因素的影响，其框架节点在设计理论和实际应用中存在诸多限制问题，成为型钢与钢管混凝土结构快速推广应用的主要障碍。

目前，节点局部应力分析方法主要有理论分析和有限元模拟两种方法[3]。但是，有限元分析法正在逐渐成为主流，这主要是由于节点构造形式越来越复杂引起的。而ABAQUS所提供的子结构法克服了节点构造越来越复杂的难题，它通过缩减结构内部自由度，只保留局部自由度，提取整体结构在节点周围的边界条件，保证节点局部应力分析的正确性和可靠性[2]。

另外，对节点进行有限元分析，搞清楚该复杂节点在大震作用下的受力性能，获取相关的数据，为超限高层结构复杂节点的设计提供参考是一个极为重要的问题。型钢混凝土三叉柱和钢管混凝土三叉柱在大震作用下，该三叉柱节点均进入塑性阶段。虽然遇到大震作用，节点仍在安全阶段，依然能够承受压力。钢管混凝土在小震作用下，结构安全储备较高，在中震作用下，钢管又较早的屈服[3]。三叉柱并不会受到小震作用的严重影响，当承受小震影响时节点均处于弹性状态，混凝土、型钢和钢筋的应力水平不会发生较大变化，仍然处于基本适中的状态。但是，三叉柱在中震作用下时钢筋已经受到影响进入屈服阶段，二型钢尚未屈服。三叉柱在大震作用下，型钢和钢筋的塑性应变都未超过极限应变，节点处于安全阶段。

复杂节点精细化分析模型的边界条件采用位移边界条件，分析结果复杂多样，可以较好地满足各种需求，主要包括混凝土的主拉应力，混凝土的最大压应变，型钢、钢筋及钢管的Mises应变和塑性累计变形。

结语

ABAQUS子结构法在超限高层复杂节点应力分析中的应用前景广阔。子结构方法的优势主要体现在其从缩减结构自由度出发，通过科学的计算避免了一般方法将简单问题复杂化的缺点，这一优势为复杂节点局部应力分析提供了一种方便快捷的办法，也从更大程度上增强了分析的科学性。在很多建筑结构中通过使用子结构方法对三叉柱部分进行ABAQUS有限元分析，可以得出更加精确的结果和性能分析。例如，经过ABAQUS子结构法我们可以比较精确和直观的得出节点在地震作用下的受力性能，在对受力性能进行分析的基础上可以精确得出各部件的受力情况是否满足规范的要求。在经过这些受力情况计算之后超限高层结构设计的设计将会更加科学。

参考文献

[1]王雨生，王曙光，王滋军.基于ABAQUS子结构法对超限高层复杂节点的应力分析[J].建筑科学，2012，（09）.

[2]浮志强，何竞飞，邓华.基于ABAQUS的夹钳钳口有限元应力分析[J].机械工程与自动化，2011，（02）.

[3]郑秀敏，刘其广.基于Abaqus的浆液搅拌车驱动轮轮缘的结构应力分析[J].微计算机信息，2012，（05）.