时间：2013-11-29 分类：机械
摘要：本文从实际工程应用需要出发，基于蜂窝式梁-柱钢框架结构的受力特点，采用ANSYS的参数化程序设计语言(APDL)编制命令流，对一榀两层两跨蜂窝式梁-柱钢框架在低周反复荷载作用下的受力性能进行非线性有限元全过程分析.
关键词：蜂窝;低周反复水平荷载;有限元分析;耗能
蜂窝构件是指用H型钢或普通热轧工字钢经切割再扩高焊接而成的空腹构件[1].与原型钢相比，蜂窝构件提高了截面的利用率，且自重轻，构造品种单一，防腐蚀性能好，运输方便，便于建筑管线的穿越[2].蜂窝框架是蜂窝梁和蜂窝柱采用栓焊或焊接的形式连接而组成的钢结构体系，蜂窝构件组成的框架具有自重轻和造型美观经济等优点，适合建造多层的楼房、无大型吊车的厂房和轻钢结构别墅等建筑[3].从长远的眼光来看，综合考虑经济效益和社会效益，采用蜂窝式梁-柱钢框架的住宅钢结构体系能够与其他材料、结构形式的建筑体系竞争，有些方面甚至具有较大优势.蜂窝梁与蜂窝柱在实际工程中已有较为广泛的应用，但有关蜂窝式梁-柱钢框架结构的研究与应用还很罕见，特别是关于此类框架动力性能的研究更是几近空白.
1 ANSYS参数化程序设计语言
ANSYS参数化程序设计语言(APDL)[4-5]实质上是由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成.从功能上讲，ANSYS命令包括定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加荷载和边界条件、控制和执行求解和后处理计算结果等指令.ANSYS强大的前后处理功能可为建立蜂窝式梁-柱钢框架结构有限元分析模型带来极大的方便.利用APDL编写出参数化的程序，可以实现有限元分析的全过程，即建立参数化的CAD模型、网格划分与控制、材料定义、荷载和边界条件定义、分析控制和求解以及后处理.
2 有限元分析依据
本文保证了蜂窝式梁-柱钢框架结构有限元模型的建模方法，约束条件，加载方式，计算控制完全和考虑腹板屈曲后强度的钢框架模拟时的设置一致，以此对蜂窝式梁-柱钢框架结构的抗震性能进行非线性有限元分析.
3 非线性有限元全过程分析
3.1结构模型的建立
框架模型尺寸，扩高比 ( , 为蜂窝构件高, 为原型钢高)取1.5，梁柱所开孔洞均为正六边形孔，满足\"蜂窝构件端部至第一个蜂窝孔的净跨距宜大于250mm\" 和\"蜂窝孔孔距应不小于100mm\"的构造要求[6-7].尺寸比例符合实际结构构件及节点的构造要求.为了消除柱顶施加竖向荷载时对顶层节点的转动所造成的约束，柱上端设计了高300mm的悬臂段.
3.2结构模型荷载的施加
模拟过程中，先加竖向荷载并稳定保持不变，按照轴压比的要求，边柱上加载367KN, 中柱上加载374KN，然后以框架弹性屈服位移 ( =35mm)的倍数分级施加水平反复位移荷载，直至框架的荷载-挠度曲线出现下降段，荷载下降到峰值荷载的85%，这时可以认为框架已经破坏.
3.3破坏机制
往复荷载在1.5△正向循环加载过程中，水平位移达到43.75mm时，顶层左跨梁左端部蜂窝孔处截面翼缘应力值达到了屈服强度235MP，即出现塑性铰，水平位移达到52.5mm时，中柱柱脚处右侧翼缘应力值达到了屈服强度235MP，即出现塑性铰，，这充分说明模型框架属于梁铰破坏机制，体现了强柱弱梁的概念.
模型最终破坏时，各柱柱脚蜂窝孔处截面均出现了严重的屈曲变形，其中左柱柱脚翼缘处应力值最大，可以说明破坏终止于此处发生屈曲变形;左跨顶层梁左端蜂窝孔处截面、右跨顶层及底层梁右端蜂窝孔处截面均出现了较为明显的屈曲变形，其余梁端蜂窝孔处截面应力值亦较大。框架中节点应力值较大，但节点域未发生明显的屈曲变形，顶层角节点与底层边节点应力值均较小，体现了强节点弱构件的设计概念。
3.4滞回特性
滞回曲线是指结构或构件在循环往复荷载作用下得到的荷载—变形曲线。滞回曲线能够反应出结构刚度退化、强度衰减、耗能能力及延性性能等特性.它是结构抗震性能的综合体现，也是结构进行弹塑性地震反应分析时确定恢复力特性的主要依据.
本框架模型在顶层水平往复荷载作用下经历了屈服、最大荷载，最后框架模型的荷载—位移滞回曲线均出现荷载下降段，表明框架不适于继续加载.
3.5延性与耗能
低周往复循环荷载作用下，各框架滞回曲线的峰值点的连接(外包线)即为骨架曲线.它与一次性加载曲线相接近.骨架曲线上能够反应出模型的屈服荷载和位移、极限荷载和位移等特征点，同时它反映了在正反交替荷载作用下，结构或构件吸能耗能、延性、强度、刚度及退化等力学特征.根据抗震规范的要求，将各个P-Δ滞回曲线的各级加载的峰点连起来可以得到各相应框架顶点的P-Δ骨架曲线.
4结论
4.1按照现行规范和规程[6-8]的有关规定所设计的一榀两层两跨蜂窝式梁-柱钢框架结构，延性较大，耗能能力较高，能满足延性框架的设计要求.
4.2两层两跨蜂窝式梁-柱钢框架结构侧移较小，水平抗力较大，滞回曲线没有明显的捏缩现象，抗震性能较好，其在工程中的应用必将带来显著的经济效益.
4.3必要时应对蜂窝构件端部加焊实腹段[9]，对节点域采取补强措施，以使框架具有更好的受力性能.
#p#分页标题#e#4.4预按等刚度原则设计出相应的实腹式框架，以比较扩高前后框架抗震性能的差别.
参考文献：
[1]郎婷，赵滇生.蜂窝梁的强度和刚度研究[J].浙江工业大学学报，2005，33(5)：538-543.
[2]Finite element analysis of castellated beam maximum moment capacity Jia, Lian-Guang (School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University); Xu, Xiao-Xia; Kang, Xiao-Zhu Source: Shenyang Jianzhu Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban)/Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), v 21, n 3, May, 2005, p196-199.
[3]李青山.圆孔蜂窝节点的有限元分析.硕士学位论文，沈阳建筑大学，2007.
[4]谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析.北京：北京大学出版社，2002.
[5]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安：西北工业大学出版社，1999.
[6]李国强.多高层建筑钢结构设计[M].1版. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
[7]包头钢铁设计研究总院，中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.钢结构设计与计算. [M].2版.北京：机械工业出版社，2006.
[8]闫莹. 蜂窝柱的承载力分析与设计方法研究. 硕士学位论文，河海大学，2005.
[9]黄文，陈前钢. 蜂窝梁弹塑性受力性能分析[J].重庆大学学报，2006，29(4)：87-91.
