強(qiáng)震作用下構(gòu)件損傷對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響

董開帥　唐瑞

【摘 要】眾所周知，處于地震之中的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)因受到剪切和扭轉(zhuǎn)力的作用而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，結(jié)構(gòu)中部分構(gòu)件因受力強(qiáng)度不夠會(huì)出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，從而影響建筑主體結(jié)構(gòu)的受力性能。針對(duì)這一命題，本文就強(qiáng)震作用下建筑構(gòu)件損傷對(duì)建筑框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響進(jìn)行論述，以有限元軟件ABAQUS為研究對(duì)象，在文中建立起一個(gè)桿系模型和一個(gè)三維精細(xì)鋼框架模型，并比較兩者對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的不同影響，得出相關(guān)結(jié)論供同行參考。

【關(guān)鍵詞】強(qiáng)震；構(gòu)件；鋼框架結(jié)構(gòu)；有限元；受力性能；影響

近年來，我國部分地區(qū)頻繁發(fā)生地震，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p害。據(jù)相關(guān)研究得知，盡管地震是造成震區(qū)人員傷亡的主要原因，但卻并不是直接原因。事實(shí)上，由地震所造成的建筑物倒塌，對(duì)人員進(jìn)行掩埋，才是造成人員傷亡的直接原因。為此，我們強(qiáng)調(diào)要做好建筑施工管理，確保建筑施工質(zhì)量以及建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

1.鋼框架結(jié)構(gòu)及其抗震性能研究

鋼框架結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)形式中最為常見的一種，主要構(gòu)成材料是鋼材，因具有著強(qiáng)度高、剛度大、自重輕、承載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于超高層建筑和大跨度建筑物中。作為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的一種主要結(jié)構(gòu)形式，鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能一致被業(yè)界所關(guān)注。從理論上來說，鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的最佳研究方法是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及動(dòng)力過程分析，然而因?yàn)槭艿窖芯考夹g(shù)和試驗(yàn)條件的限制，這兩種研究方法暫不能得到有效實(shí)施，所以現(xiàn)階段國內(nèi)外普遍采用的鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究方法為：結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本力學(xué)行為研究。簡單來說，就是針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件的力學(xué)行為進(jìn)行研究，分析構(gòu)件在強(qiáng)震作用下發(fā)生損傷后能否對(duì)鋼框架主體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生影響，以此判定并反映出鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的響應(yīng)。

為了研究強(qiáng)震作用下構(gòu)件損傷對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，本文在構(gòu)件基本力學(xué)行為研究原理的基礎(chǔ)上，選用有限元軟件ABAQUS為技術(shù)手段，在其基礎(chǔ)上建立兩種模型，并通過實(shí)驗(yàn)來綜合考慮鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響。

2.實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)分析

2.1模型建立

首先，建立一個(gè)樓層數(shù)為4層的鋼框架結(jié)構(gòu)模型，要求樓層高3米，跨度為6米；然后通過有限元軟件ABAQUS來分別建立一個(gè)桿系模型和三維精細(xì)殼單元有限元模型，要求桿系模型的實(shí)際尺寸大小和三維精細(xì)殼單元有限元模型的軸線大小相同，模型各節(jié)點(diǎn)部位的強(qiáng)度要相對(duì)較大，目的是為了防止節(jié)點(diǎn)部位變形而對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生影響；另外，要在節(jié)點(diǎn)部位增加一個(gè)側(cè)向約束力，防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生局部扭曲。

加載方式：首先，對(duì)結(jié)構(gòu)施加豎向重力荷載以及根據(jù)荷載規(guī)范施加恒荷載和活荷載的荷載組合；其次，根據(jù)不同的加載模式進(jìn)行水平加載，分別采用擬靜力加載和擬動(dòng)力加載。

2.2實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1擬靜力加載對(duì)比分析

模型建立之后，繪制出三維精細(xì)殼單元模型和桿系模型的單調(diào)加載曲線的對(duì)比結(jié)果圖，并由圖得出：兩模型的初始剛度基本一致。桿系模型計(jì)算得到的承載力稍大，這主要是由于桿系模型中的鋼框架柱計(jì)算長度比精細(xì)模型稍長，會(huì)造成一定的差異，但是整體差別在3%以下。在單調(diào)荷載作用下，由于沒有塑性應(yīng)變循環(huán)累積作用，結(jié)構(gòu)受力性能并未發(fā)生明顯退化，表明兩者的計(jì)算結(jié)果在工程允許的范圍內(nèi)是一致的，單調(diào)荷載作用下桿系模型的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

2.2.2滯回性能對(duì)比分析

靜力循環(huán)加載是在框架的頂端施加往復(fù)水平位移，采用四種加載制度，分別為：由小到大逐級(jí)加載（加載制度Ⅰ），由大到小遞減加載（加載制度Ⅱ），以及先小后大再小加載（加載制度Ⅲ）和先大后小再大加載（加載制度Ⅳ）。四種加載方式分別模擬不同地震作用，考察不同加載制度下結(jié)構(gòu)損傷的不同表現(xiàn)形式，同時(shí)比較三維精細(xì)殼單元模型與桿系模型計(jì)算結(jié)果的差別。

在上述所列出的四種加載制度下，三維精細(xì)殼單元模型由于能夠模擬局部屈曲和塑性應(yīng)變累積作用，承載力以及剛度均出現(xiàn)明顯退化，并且不同加載制度的滯回曲線也有差別。而桿系模型所有的加載制度下的滯回曲線完全一致，并沒有受到加載程度和累積作用的影響，無法反映構(gòu)件損傷的不可逆現(xiàn)象，以及由于損傷產(chǎn)生的內(nèi)力重分布。因此，采用桿系模型進(jìn)行分析會(huì)高估結(jié)構(gòu)的受力性能，不能反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的地震響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷會(huì)削減結(jié)構(gòu)整體的剛度和承載力，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力性能產(chǎn)生直接的影響。若考慮損傷對(duì)承載力及剛度的折減將會(huì)使計(jì)算結(jié)果更為接近實(shí)際情況，能夠更為準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

2.3耗能能力對(duì)比分析

在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)兩種模型的實(shí)際耗能情況，繪制出不同加載力下模型結(jié)構(gòu)的耗能力。從所繪制的結(jié)構(gòu)耗能力圖示來看，桿系模型結(jié)構(gòu)的在實(shí)驗(yàn)中往往不能全面考慮到結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，如果應(yīng)用于實(shí)際建設(shè)，會(huì)高估結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下耗能能力。而對(duì)于三維單元有限元模型來說，該結(jié)構(gòu)的在不同加載力下的耗能能力差別并不大。

2.4結(jié)構(gòu)變形分析

對(duì)其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性時(shí)程和結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所繪制的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的圖紙來看，三維精細(xì)單元有限元模型在強(qiáng)震作用時(shí)，在結(jié)構(gòu)的柱腳和梁端容易發(fā)生局部變形彎曲，需要注意的是，這種局部彎曲現(xiàn)象在桿系模型模擬實(shí)驗(yàn)中不會(huì)出現(xiàn)，但在實(shí)際地震時(shí)卻是真實(shí)存在的。實(shí)驗(yàn)分析，桿系模型和三維精細(xì)單元模型在強(qiáng)震實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)模型的塑性應(yīng)變積累到一定程度，導(dǎo)致?lián)p傷出現(xiàn)時(shí)，兩種模型結(jié)構(gòu)的變形程度不同，呈現(xiàn)出明顯的差異。從變形程度來看，三維精細(xì)單元模型發(fā)生的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于桿系模型，這便說明桿系模型在強(qiáng)震作用下不會(huì)過高估計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，比三維單元模型更適建于強(qiáng)震區(qū)域。

從模型的層間位移角和層位移可以看出，桿系模型分析得到的位移會(huì)低于精細(xì)模型的分析結(jié)果，在薄弱層有明顯的差異，差異最大達(dá)到30%。對(duì)于不同的地震波，在相同的峰值加速度作用下，對(duì)結(jié)構(gòu)作用程度也不相同，這與變形累積作用形式相關(guān)。地震作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生更為明顯的不對(duì)稱變形，在結(jié)構(gòu)變形較大的一側(cè)不斷累積，層間位移角以及層位移逐步增大。

對(duì)于同一條地震波，峰值加速度不同，損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度也不相同。地震作用越大，結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變累積隨之增加，局部屈曲越嚴(yán)重，進(jìn)而結(jié)構(gòu)變形也越大。

2.5塑性耗能發(fā)展程度對(duì)比分析

塑性耗能（Ep）表示結(jié)構(gòu)材料進(jìn)入塑性而產(chǎn)生的塑性應(yīng)變能的程度，隨著地震波的不斷輸入而不斷增加，為單調(diào)遞增函數(shù)，表征結(jié)構(gòu)在地震作用下塑性發(fā)展?fàn)顩r以及能量耗散情況。 （下轉(zhuǎn)第111頁）

（上接第108頁）3.結(jié)束語

（1）采用三維精細(xì)殼單元建立的鋼框架構(gòu)件和框架非線性有限元計(jì)算模型在宏觀破壞形態(tài)和局部屈曲等方面與典型試驗(yàn)結(jié)果均吻合良好，驗(yàn)證了模型中采用的單元類型和材料本構(gòu)模型的合理性。說明三維精細(xì)殼單元模型能在一定程度上真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的響應(yīng)。

（2）結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷時(shí)，桿系模型和三維精細(xì)殼單元模型分析結(jié)果吻合良好；但由于結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變累積和局部屈曲導(dǎo)致?lián)p傷發(fā)生，兩種模型分析結(jié)果出現(xiàn)明顯的差異。由于損傷累積，導(dǎo)致精細(xì)模型分析得到的結(jié)構(gòu)位移高于桿系模型的分析結(jié)果（最大差異達(dá)到30%），桿系模型會(huì)低估結(jié)構(gòu)的變形以及塑性發(fā)展能力。 [科]

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