摘要：近年来建筑由于平面功能分布，常常需要在首层设置大开间商业或公共活动空间，导致高区的剪力墙或者框架柱无法落地，需要在转换层进行转换。转换结构通常包括转换梁和框支柱。转换结构的力传导属性比较复杂，高区的荷载需要通过转换梁的受弯和受剪将力传递给框支柱，所以对于复杂的转换结构，例如偏心转换，支撑转换、高位转换等特殊转换结构需要进行专门分析和设计。实体有限元采用四面体或六面体单元进行三维分析，块体单元未采用力学简化，所以可更好地考虑各向内力分量的耦合作用，从而更正确地分析转换结构应力。本文以深圳的一栋框支剪力墙结构为例，在ABAQUS中对转换结构进行实体有限元分析。
关键词：转换结构；实体有限元；ABAQUS；
引言：转换结构属于结构设计中的关键构件，因传统设计软件采用杆元和壳元的计算模型无法准确揭示各向内力的耦合作用且不能判断转换梁进入弹塑性之后的内力重分布，因此有必要对复杂的转换结构进行实体有限元应力求解。转换结构的分析应保证在正常使用状态下节点处于弹性状态；在地震作用下保证“强节点弱构件”的失效机制，即在多遇地震下节点极限承载能力高于相邻构件极限承载能力；在中震下节点保持弹性。因此，为了验证和保证转换结构的性能水准，需要对其进行实体有限元进行分析。
一、项目简介
项目位于广东省深圳市，本项目底部设有4层商业裙房，上部设有6座超高层塔楼（1座办公和5座商住楼）。其中办公楼216.6米，商住楼中4座156.20米，1座132.65米，地下5层（其中一层为半地下商业）。B、C、D、E、F座均为超高层住宅，地上总建筑面积为309935m2，其与商业裙房间设缝分开。其中B、C座主体结构屋面高度为156.20m，共47层，下部裙房（停车楼）将双塔连接起来；D、E座主体结构屋面高度为156.20/159.20m，共47/48层，下部裙房（停车楼）将双塔连接起来；F座分镜像的两栋塔楼，共39层，设缝分开。由于塔楼设置转换层会使建筑物高度方向刚度的均匀性受到破坏，力的传递途径改变，所以本文选取其中的C栋进行转换结构专项分析。
二、ABAQUS模型建立
（1）材料本构。型钢与钢筋采用ABAQUS软件中提供的等向弹塑性模型，满足Von Mises屈服准则。型钢与钢筋采用理想弹塑性模型，弹性模量取210000MPa，弹性阶段泊松比取0.3。混凝土塑性本构采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型（CDP模型），使用各向同性损伤弹性以及各向同性拉压塑性来表示混凝土的弹塑性行为。采用《混凝土结构设计规范》附录C中提出的应力-应变关系模型。混凝土弹性模量按《混凝土结构设计规范》取值，弹性阶段泊松比取0.2。
（2）屈服判定准则。对型钢和钢筋的分析结果依据冯米斯（Von Mises）应力理论进行评估。对混凝土采用主应力准则评估，分别比较三个方向的主应力。
（3）有限元模型建立。分析转换梁的受力性能，需要分别在上层柱顶，以及梁、墙截断位置施加轴力、剪力和弯矩，作用大小取构件节点处内力。为了简化计算和方便调整，墙分布钢筋采用等直径及等间距，钢筋采用Embedded region constraint 约束和混凝土单元共节点连接，不考虑两者的间的粘结滑移。力和弯矩通过参考点施加，参考点和构件截面通过运动耦合约束（coupling constraint）连接，避免直接加载产生的应力集中。节点力读取结构设计软件盈建科（YJK）中各工况取最不利组合，并按照杆件局部坐标施加力的大小。
（4）网格划分。模型的混凝土部分采用三维四节点单元（C3D4），钢筋因只考虑轴向受力，故采用Truss单元（T3D2）。单元网格采用细分网格的网格实验方法，确定合适的网格，即确保网格的划分不再对结果才生大的影响。本次分析单元尺寸控制在0.15米范围内。模型中墙体荷载直接施加到墙体的顶部，柱子底部采用固接。模型如图1所示。
图1：有限元模型
三、分析结果
（1）小震下正应力分析结果
根据应力求解结果可以判断结构是否满足预期的性能水准，但是因为模型在网格划分时会有一些单元存在畸变，从而导致结果失真形成很大的峰值的，我们称之为应力集中现象。应力集中通常会在很小的一个范围降低到材料设计值以内，所以应力集中属于数值求解中的误差，并不会影响结果的准确性。
考虑到分析目标为转换梁，分析结果我们只展示转换梁以及梁柱节点区域。由图2结果可以看出，去掉应力集中，梁截面最大压应力为25.0MPa，小于混凝土轴心抗压强度设计值27.5MPa，可以判断转换梁满足弹性的性能要求，满足设计要求。
图2：小震作用下结果
（2）中震下正应力分析结果
由图3结果可以看出，去掉应力集中，梁截面最大压应力为26.7MPa，小于混凝土轴心抗压强度设计值27.5MPa，可以判断转换梁满足弹性的性能要求，满足预期的性能目标。
图3：中震作用下结果
（3）剪应力分析结果
如图4调整前局部受剪截面S23剪应力结果可知，局部范围应力超出限值0.15fc。为了判断是否为应力集中，故把转换梁截面由1400mm加宽到1500mm进行重新分析；如图4调整后剪应力，应力消散作用明显，所以判定为局部应力超出。所以在后续的设计中应按照1500mm宽进行设计。
图4：转换梁剪应力分析结果
结束语
根据以上分析可以看出，转换结构的实体有限元分析是传统结构分析方法的一种补充，不仅可以考虑多向内力耦合，还可给出转换梁的应力分布路径云图以及断面的应力结果。经过分析可知：在小震和中震的作用下，转换梁的应力均小于规范限值，满足预期的结构性能水准，保证在小震和中震作用下转换结构保持弹性状态。另外，也可以根据实体有限元应力结果调整构件截面减少局部应力超限，反提截面给到后期构件设计。因此，转换结构的实体有限元分析方法不仅是传统设计方法的一种补充，更是从性能目标、应力角度对传统结构的二次验证。
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论文作者:孔令俊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/13
标签：应力论文; 结构论文; 模型论文; 有限元论文; 节点论文; 塑性论文; 截面论文; 《基层建设》2019年第9期论文;