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子结构技术在梁柱节点非线性分析中的应用使用子结构的部分采用线弹性材料模型，其余部分采用弹塑性材料模型，材料参数根据 材料试验结果确定。本文ANSYS计算采用的材料应力－应变关系参见图1。其中弹塑性材 料定义为各向同性，弹性模量为1.904×10MPa，泊松比为0.29，采用vonMises屈服准则 和多线性随动强化模型
图1ANSYS分析采用的弹塑性材料模型
按照试验节点的几何尺寸建立有限元模型，梁和柱采用SOLID45单元建模，高强螺栓 采用PRETS179单元模拟预拉力，接触面采用CONTA174和TARGE170单元建模。节点中 凡是焊接的部位，在ANSYS模型中都粘结在一起，这样划分网格后在交界处的节点自动位 移协调。剪切板和梁腹板之间建立起一对接触面，以模拟它们之间的滑移情况。 图2是一个节点进行网格划分之后的图形。其中红色部分采用线弹性材料，将被作为子 结构建成一个超单元绿色部分采用弹塑性材料。图3显示了在剪切板和焊接孔附近的细节 由于在此处进行了局部细化，这里的单元尺寸比其它区域小的多。 在ANSYS中建模时首先按照图2的实体进行几何建模和网格划分然后定义主自由度。 主自由度包括柱子两端被约束的自由度以及子结构与周围的单元共享的自由度。求解时首先 设定求解类型为SUBSTR，只选择子结构部分的单元进行求解进行子结构刚度矩阵的生成。 在计算节点在各种荷载下的反应时，把子结构部分的单元清除，使用MATRIX50单元类型 定义一个超单元代替子结构部分。使用已生成的超单元刚度矩阵进行整个结构的计算
图5节点荷载位移曲线
图4梁端施加的往复荷载
有限元模型的约束条件设置与试验完全相同，在图2中，柱子的两端相当于试验中固定 的位置，因此将两个面上节点的所有自由度都限制为零，即整个面固支。第一荷载步首先施 加高强螺栓的预拉力，模拟试件加工后预拉力施加完毕的应力分布；第二荷载步按照试验中 的加载序列，在梁端施加两种荷载，第一种为单向的水平位移75mm，第二种为水平循环荷 载，其各级位移大小如图4所示，其中横轴为荷载子步，纵轴为梁端加载点施加的水平位移 的大小。
在加载点施加单向75mm水平位移作用，节点的荷载位移曲线参见图5。与试验值比较 可以看到，ANSYS计算结果与试验值很接近。尤其在弹性阶段，ANSYS计算出的曲线和 试验曲线基本重合在一起，这显示了ANSYS的模拟能力。在进入塑性阶段之后，由于试验 中节点已经出现焊缝的开裂，在ANSYS模拟中没有考虑这一点，因此试验结果的承载力与 ANSYS计算值相比偏低。
图6是一个节点在循环荷载作用下的节点滞回曲线图，其中蓝色虚线为ANSYS使用子 结构的计算结果，红色虚线为ANSYS不使用子结构的分析结果，黑色实线为对应节点的试 验结果。可以看到ANSYS使用子结构与不使用子结构之间差别很小，这证明了ANSYS子 结构技术的有效性。对比试验结果和有限元结果可以发现，使用在循环荷载施加的初期两者 很接近，随着循环荷载的施加，有限元计算的节点承载力高于试验结果。这种差异主要是在 试验中节点焊缝出现裂缝之后，由于在ANSYS计算中只考虑塑性发展，不考虑焊缝或者钢 材的断裂，因此其计算的承载力比试验值高很多
图6节点的荷载位移曲线
图7焊接孔附近的Mises应力分布
图8显示了剪切板的接触状态，其中图8a为仅施加高强螺栓的预拉力的状态，可以看 到在螺栓孔的周围分布着比较均匀的接触区域，其直径大约是螺栓孔直径的三倍。图8b为 往复荷载施加完毕之后的状态，可以看到接触区域明显减小，尤其在两侧的焊接孔周围，已 经不存在紧密接触的区域。
a.只施加高强螺栓预
tcste 0042-2020 “领跑者”标准评价要求 建筑用秸秆墙板图8剪切板的接触状态
应用ANSYS子结构技术可以方便地模拟钢结构梁柱节点在荷载下的反应，对节点的荷 载－位移曲线和内力分布状况的模拟比较符合实际情况
ANSYS运行时间对比
另外，由于子结构技术减少了节点整体自由度数，因此可以降低计算时间。表1是一 个节点模型在相同的网格划分精度下，使用子结构和不使用子结构的CPU运行时间对比 可以看到，子结构技术降低CPU运行时间13.1%。对于结构中含有重复的部件的分析问 题，把重复的部件建成子结构，可以更大幅度地降低运算时间。
[1]石永久，李兆凡，陈宏，王元清，高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究，建筑结构学报，2002， VoI.23,No.3. [2]陈宏，石永久，王元清，赵大伟．钢框架梁柱节点受力性能的非线性分析，工业建筑，2001年第5 期，pp.67~69 [3] Swanson Analysis Systems, Advanced Analysis Techniques Guide, SAS Inc. USA, 1999 「4]李兆凡。钢结构梁柱节点抗震性能研究，清华大学工学硕士学位论文，2002