CN109829202A - 一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，包括如下步骤：步骤一，采用反应谱法整体结构分析；步骤二，反应谱法节点区相关构件应力；步骤三，确定节点区控制杆件；步骤四，对地震弹性时程进行整体结构分析；步骤五，根据控制杆件确定弹性时程工况；步骤六，弹性时程工况下节点杆件内力组合；步骤七，根据确定的杆件内力对节点进行有限元分析。根据现行规范对抗震设计的相关规定和对节点区在地震作用下实际受力机理分析，采用本发明的方法确定节点区分析时的杆件内力，即有限元分析的力边界条件，从而确定相对边界后，相关杆件内力与整体模型中相关杆件的内力更接近，提高结构分析模型建立和分析计算过程中节点计算的准确性。
Description
技术领域
本发明属于建筑设计领域，具体涉及一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法。
背景技术
在结构分析中，边界条件与荷载作用是影响模型真实性与分析结果精度最主要的两个因素。在结构整体分析中如此，节点等细部分析中亦是如此。不同的是，结构整体分析中，边界条件和荷载作用相对来说比较明确，容易确定，而在节点分析中，边界条件需要从整体模型中的各种假定中推演出来，而荷载则包含作用在节点上的外荷载以及与其相连杆件的内力分量。因为节点分析是针对某一特殊部件的细部分析，需要更真实的分析模型和更高的精度要求。因此，在节点分析中边界与荷载的确定就更需要引起我们的注意。
节点分析中，边界有两种情况：(1)真实边界。如果分析的是支座节点，则分析模型中与基础相连的边界就是真实边界。这时，像整体分析中一样，根据实际的约束情况，施加在作用面、点、线上即可。不过，在实体单元分析中，每个几何面都被剖分成多个小单元体，所以构造上的点可能包含了几个甚至几十个有限元的点，因此，需要把构造点上的所有有限元节点都施加相应的约束。(2)结构体系内部边界。有时候分析的节点并不靠近结构的支承点，因此，它周围并不存在真实的边界约束。但是有限单元法要求分析模型必须提供一定的边界约束使其不可发生刚体位移，此时就必须根据与节点相连各构件的构造情况假定一个约束条件。比如可以把与节点相连的梁单元端部设置成刚性支承。在实际应用中，往往把与节点相连的刚度较大的那些杆件端部设置成约束，或将次要构件的端部设置成边界。
因为节点分析是细部分析，而且一般都是采用shell单元或solid单元，因此，为了得到可靠的分析结果，需要采用数目较大的单元剖分，这又导致了非常可观的计算机用时。因此，在实际分析中往往选取的分析范围较小。这样导致了所设置的边界与欲分析的区域非常接近，根据圣维南原理，边界约束会影响到分析的精度。所以通常希望将边界设置在远离分析区域，根据经验，边界与分析区域的距离大于2倍于节点构造尺寸为宜。另外，为了分析节点区域的各个部位，可以调换边界的位置。
与边界条件一样，节点上的荷载也存在两种情况：(1)真实荷载。即作用在节点上的实际外荷载，比如玻璃幕墙对结构的作用、设备悬吊荷载、自重荷载等。值得注意的是均布荷载需要转换为节点力施加在相应有限元的节点上。(2)是相对荷载，即与节点相连构件的内力。与节点相连的各构件中，有些可能会被设置成约束，而有些则可能需要将其内力模拟成外荷载施加在模型上。
同样，被设置成内力的构件需要保留一定的长度以消除应力集中对目标区域的影响。有时候为了消除施加外荷载部位的应力集中对分析区域的影响，会在模型中人为地增加一块“垫板”。
在目前市场上使用的诸多商业有限元软件中，不同软件提供不同的边界和荷载施加方法。比如ABAQUS、ANSYS等软件可以把约束和荷载施加在几何面、线上，而有些软件则只能把约束和荷载施加在有限元的单元和节点上。
在实际应用中，相对边界与相对荷载的位置选取是相互联系的，但总的选择原则是方便荷载或约束的施加，在真实模拟节点受力特征的条件下使问题简单化，利于分析的顺利进行。
在施加相对荷载时，通常根据整体计算的结果来提取节点相关杆件的内力，其包括六个内力分量，轴向力、两个方向的剪力、两个方向弯矩、扭矩。在单工况作用下，静力工况，风荷载工况时，杆件节点内力是平衡的，但反应谱法计算的地震作用下的节点内力是不平衡的，进行荷载组合后的节点内力亦是不平衡的。
由于反应谱法计算的杆件内力不平衡和节点分析中需要杆件内力平衡的矛盾，若直接采用反应谱法计算的杆件内力进行节点有限元分析，在确定相对边界后，相关杆件内力与整体模型中相关杆件的内力相差较大，影响节点计算的准确性。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，根据现行规范对抗震设计的相关规定和对节点区在地震作用下实际受力机理分析，采用本发明的流程确定节点区分析时的杆件内力，即有限元分析的力边界条件，从而确定相对边界后，相关杆件内力与整体模型中相关杆件的内力更接近，提高结构分析模型建立和分析计算过程中节点计算的准确性。
本发明的目的在于提供一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，包括如下步骤：
步骤一，采用反应谱法整体结构分析；
步骤二，反应谱法节点区相关构件应力；
步骤三，确定节点区控制杆件；
步骤四，对地震弹性时程进行整体结构分析；
步骤五，根据控制杆件确定弹性时程工况；
步骤六，弹性时程工况下节点杆件内力组合；
步骤七，根据确定的杆件内力对节点进行有限元分析。
优选的，所述步骤一包括对结构整体模型进行有限元分析计算，得到整体分析下每个杆件的内力。
优选的，所述步骤二包括提取不同工况下的杆件内力，包括恒载、活载、风荷载、反应谱地震作用。
优选的，所述步骤三包括进行荷载组合，考虑分项系数及组合系数，得出节点处每个杆件的轴力、两个方向的剪力、两个方向的弯矩和扭矩。
优选的，所述步骤三包括计算节点处每个杆件的应力水平。
优选的，所述步骤三包括选取应力水平最大的杆件为控制杆件，分析其最大应力的构成，确定影响最大应力的受力方式。
优选的，所述步骤四、步骤五包括提取最大受力方式下的时程内力对应的荷载步下的内力。
优选的，所述步骤六包括将时程内力与静力荷载进行荷载组合。
所述步骤七包括将所述组合后的内力经过调整即确定为节点有限元分析的相对荷载。
优选的，所述步骤三所述受力方式包括弯矩或轴力。
本发明的有益效果在于：本发明方法应用于建筑结构节点有限元分析中，此种方法计算的杆件内力是平衡的，在不施加边界约束条件时，整个节点处于力学平衡状态。把与节点相连的刚度较大的那些杆件端部设置成约束，其他杆件进行相对荷载的施加，从而进行节点有限元分析，此时相关杆件内力结果与整体模型中相关杆件的内力相差较少，确保节点计算的准确性。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图的简要说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例的节点分析杆件内力确定流程图。
附图2为根据本发明实施例的钢管混凝土斜柱、钢管混凝土中柱和圆钢管支撑相交节点的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。
参见图1，一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，包括如下步骤：
步骤一，采用反应谱法整体结构分析，包括对结构整体模型进行有限元分析计算，得到整体分析下每个杆件的内力；
步骤二，反应谱法节点区相关构件应力，包括提取不同工况下的杆件内力，包括恒载、活载、风荷载、反应谱地震作用；
步骤三，确定节点区控制杆件，包括进行荷载组合，考虑分项系数及组合系数，得出节点处每个杆件的轴力、两个方向的剪力、两个方向的弯矩和扭矩；包括计算节点处每个杆件的应力水平；包括选取应力水平最大的杆件为控制杆件，分析其最大应力的构成，确定影响最大应力的受力方式，受力方式包括弯矩或轴力；
步骤四，对地震弹性时程进行整体结构分析，包括提取最大受力方式下的时程内力对应的荷载步下的内力；
步骤五，根据控制杆件确定弹性时程工况，包括提取最大受力方式下的时程内力对应的荷载步下的内力；
步骤六，弹性时程工况下节点杆件内力组合，包括将时程内力与静力荷载进行荷载组合；
步骤七，根据确定的杆件内力对节点进行有限元分析，所述组合后的内力经过调整即确定为节点有限元分析的相对荷载。
参见图2，采用D1904，D1252，D1220，D1140以及D1184表示钢管混凝土斜柱、钢管混凝土中柱和圆钢管支撑相交节点的杆件编号。
本实施例所使用的建筑结构节点分析荷载施加方法，主要包括整体结构反应谱分析、弹性时程分析、节点有限元分析。
本实例就某节点的荷载施加流程进行说明。
某8度区，设计基本地震加速度为0.30g，Ⅱ类场地。拟建90层框架核心筒结构，其中外框系统某节点如图1所示，以下称为节点SYDJ1，节点性能目标为中震弹性，杆件截面如表1所示。
表1
反应谱法最不利荷载组合工况下，节点SYDJ1各杆件受力信息如下表2、表3所示，此时的力系为不平衡力系。
表2(地震+)
| 杆件编号 | P(kN) | V2(kN) | V3(kN) | T(kN-m) | M2(kN-m) | M3(kN-m) |
| D1220 | -78203 | 3345 | 1435 | 277 | 839 | -5425 |
| D1252 | 41104 | -3744 | 373 | 292 | -1026 | 4737 |
| D1904 | -3048 | 524 | -15847 | 362 | 10977 | 3667 |
| D1140 | 82206 | 5571 | -75 | -4049 | 1505 | -53257 |
| D1184 | -204491 | -8771 | 259 | 3424 | -1628 | 45381 |
表3(地震-)
| 杆件编号 | P(kN) | V2(kN) | V3(kN) | T(kN-m) | M2(kN-m) | M3(kN-m) |
| D1220 | 33717 | -3988 | -257 | -43 | -2311 | 5045 |
| D1252 | -85075 | 3259 | -1639 | -349 | 2823 | -5287 |
| D1904 | -159212 | 5393 | 16147 | -153 | -11216 | -7319 |
| D1140 | -224324 | -9562 | 2701 | 4027 | -8765 | 49332 |
| D1184 | 65239 | 5239 | -2723 | -3491 | 8581 | -49207 |
选取应力水平大的杆件D1220为控制杆件。
选取满足规范要求的地震波对结构进行弹性时程分析，选取控制杆件D1220受力最大时对应的弹性时程工况进行荷载组合，得到节点SYDJ1各杆件受力信息表4，此时的力系为平衡力系。
表4
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，采用反应谱法整体结构分析；
步骤二，反应谱法节点区相关构件应力；
步骤三，确定节点区控制杆件；
步骤四，对地震弹性时程进行整体结构分析；
步骤五，根据控制杆件确定弹性时程工况；
步骤六，弹性时程工况下节点杆件内力组合；
步骤七，根据确定的杆件内力对节点进行有限元分析。
2.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤一包括对结构整体模型进行有限元分析计算，得到整体分析下每个杆件的内力。
3.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤二包括提取不同工况下的杆件内力，包括恒载、活载、风荷载、反应谱地震作用。
4.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤三包括进行荷载组合，考虑分项系数及组合系数，得出节点处每个杆件的轴力、两个方向的剪力、两个方向的弯矩和扭矩。
5.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤三包括计算节点处每个杆件的应力水平。
6.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤三包括选取应力水平最大的杆件为控制杆件，分析其最大应力的构成，确定影响最大应力的受力方式。
7.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤四、步骤五包括提取最大受力方式下的时程内力对应的荷载步下的内力。
8.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤六包括将时程内力与静力荷载进行荷载组合。
9.根据权利要求1所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤七包括将所述组合后的内力经过调整即确定为节点有限元分析的相对荷载。
10.根据权利要求6所述的一种建筑结构节点分析杆件内力确定方法，其特征在于：所述步骤三所述受力方式包括弯矩或轴力。
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