高層鋼框架混合結(jié)構(gòu)抗震彈塑性時程分析

（廣州市設(shè)計院 廣東廣州 510620）

高層鋼框架混合結(jié)構(gòu)抗震彈塑性時程分析

邵 駿

（廣州市設(shè)計院 廣東廣州 510620）

本文對高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析方法的產(chǎn)生背景及分析方法進行了簡要介紹，并結(jié)合ABAQUS 軟件對某高層鋼框架混合結(jié)構(gòu)進行了抗震彈塑性時程分析，研究其在地震作用下結(jié)構(gòu)屈服和破壞情況。

高層鋼框架混合結(jié)構(gòu)；彈塑性時程分析；ABAQUS

1 彈塑性時程分析背景及方法

現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范已經(jīng)把彈塑性(非線性)時程分析方法納入條文，比如說在罕遇地震作用下須進行薄弱層彈塑性變形計算的結(jié)構(gòu)，除了不超過12層且層剛度無突變的混凝土框架、單層混凝土柱廠房可以采用簡化的方法以外，其他的都采用靜力彈塑性分析方法或者彈塑性時程分析方法。近年來, 高層鋼框架混合結(jié)構(gòu)在我國高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了較為廣泛的應(yīng)用, 它既能發(fā)揮鋼材強度高, 截面積小,可以建造大跨度、大空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)點; 又能充分利用混凝土核心筒的抗推剛度大的特點。

自20世紀60年代以來，許多學者致力于非線性時程分析方法的研究，將建筑物作為非線性振動系統(tǒng)，直接輸入地震波，用逐步積分法求解依據(jù)結(jié)構(gòu)非線性恢復力模型特性建立的動力方程，直接計算結(jié)構(gòu)的位移、速度及加速度時程反應(yīng)，從而描述結(jié)構(gòu)在強震作用下，在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐步開裂、屈服、損壞直至倒塌的全過程，從而為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供依據(jù)。

2 算例分析

2.1空間有限元模型建立

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)等現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程,設(shè)計一座13層鋼框架-混凝土框架結(jié)構(gòu)作為試驗模型的原型結(jié)構(gòu),采用ABAQUS有限元軟件對其進行分析,結(jié)構(gòu)各層層高4m,平面尺寸為24m×24m,外鋼框架均采用箱型截面,鋼柱采用600mm×600mm,梁采用500mm×500mm,鋼筋混凝土樓板厚200mm,10@150雙向雙層配筋。鋼材為Q235鋼,混凝土強度等級為C35?；炷良袅蜗蜷_洞,門洞口尺寸為2000mm×2800mm。其結(jié)構(gòu)平面布置圖如下圖所示：

本模型混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用ABAQUS中提供的混凝土損傷塑性本構(gòu)關(guān)系，本模型中樓板與核心筒中鋼筋采用ABAQUS中的鋼筋層模擬。開裂、損傷與剛度恢復通過受拉(dt)、受壓(dc)損傷因子、剛度恢復因子來模擬,其值均在0～1之間變化,0代表無損傷,1代表完全損傷開裂。ABAQUS后處理中顯示這些因子數(shù)值和分布情況,可以知道混凝土裂縫發(fā)展和分布。模型中框架、鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用了標準金屬塑性模型,屈服強度235MPa。鋼筋混凝土與鋼材本構(gòu)中參數(shù)數(shù)值可參照文獻采用。

單元選擇單元的選擇是高層建筑動力分析的關(guān)鍵。本文采用三維空間有限元模型對高層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型進行空間整體分析?？蚣苤⒖蚣芰翰捎萌S線形梁單元(B31);混凝土剪力墻和樓板采用線形減縮積分的四邊形三維殼單元(S4R),這兩種單元適用于廣泛的問題。且可以在ABAQUS中顯式和隱式求解器中通用。

模型中采用ABAQUS中的復合阻尼,即對鋼材和混凝土分別定義一個臨界阻尼比,材料阻尼矩陣采用Rayleigh阻尼。

2.2結(jié)構(gòu)自振特性分析

采用ABAQUS/Standard中提供Lanczos特征提取法方法求解了結(jié)構(gòu)的前30階特征值。其中列出前6階自振頻率及周期如表1所示。結(jié)構(gòu)模型的第1階振型呈彎剪型,結(jié)構(gòu)底部7層以彎曲型為主,上部8層以剪切型為主。

表1 結(jié)構(gòu)的自振特性

2.3結(jié)構(gòu)屈曲與破壞情況

在所選用的兩條地震波作用下,結(jié)構(gòu)屈服、破壞的情況以寧河波作用下最為嚴重,剪力墻屈服、破壞部位較多,在寧河波7度罕遇和8度罕遇地震作用情況下鋼柱發(fā)生了屈曲,而在E.lCentro波作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)較弱。以本模型在寧河波不同烈度地震作用下的反應(yīng)為例,對混合結(jié)構(gòu)在彈塑性時程分析過程中,混凝土剪力墻、樓板裂縫開展與破壞情況以及鋼架的屈服情況總結(jié)如下：

(1)7度罕遇地震作用下,混凝土核心筒的第3層首先出現(xiàn)裂縫,其次向下第2層連梁、向上第4層連梁及混凝土剪力墻與基礎(chǔ)連接部位出現(xiàn)裂縫,之后向下、向上各層連梁相繼出現(xiàn)開裂,之前各裂縫進一步發(fā)展,第3層首先發(fā)生破壞,然后底層剪力墻發(fā)生破壞,在地震反復荷載作用下,其余各層連梁及連梁與剪力墻連接的門洞口部位裂縫大量開展。當?shù)卣鹱饔媒Y(jié)束時,底部2層范圍內(nèi)剪力墻破壞嚴重,3層剪力墻部分受損;寧河波220gal峰值加速度地震輸入下,外部鋼框架在1.30s時框架底層角柱達到最大應(yīng)力179.5MPa,未發(fā)生屈曲。

(2)8度罕遇地震作用下,混凝土核心筒的第3層連梁首先出現(xiàn)裂縫,其次是第2層連梁、第4層連梁,第5層連梁及混凝土剪力墻與基礎(chǔ)連接部位出現(xiàn)裂縫,之后向下、向上各層連梁相繼出現(xiàn)開裂,之前各裂縫進一步發(fā)展,第3層首先出現(xiàn)破壞,然后底層剪力墻發(fā)生破壞,在地震反復荷載作用下,各層連梁相繼發(fā)生破壞。地震作用結(jié)束時,底部3層剪力墻全部受損,各層連梁破壞嚴重,樓板與核心筒連接部位產(chǎn)生大量裂縫,樓板產(chǎn)生較大塑性變形;寧河波400gal峰值加速度地震輸入下,外部鋼框架在1.16s時框架底層角柱首先出現(xiàn)屈服,1.28s達到最大應(yīng)力300.4MPa,之后底層邊柱及部分樓層鋼梁屈服。

3 結(jié)論

(1)高層結(jié)構(gòu)在地震作用下與所承受的地震波的頻譜特性有密切關(guān)系,縱使在相同的峰值加速度作用下,隨著地震波不同,結(jié)構(gòu)反應(yīng)也相差很大。

(2)鋼框架在中震與大震作用下均處于彈性階段。在大震作用下,首層框架底柱開始屈服出現(xiàn)塑性鉸,然后中部梁開始屈服出現(xiàn)塑性鉸,混合結(jié)構(gòu)中混凝土核心筒的連梁部位往往先于底部剪力墻發(fā)生破壞而成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

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1007-6344（2017）04-0308-01

邵駿（1990.07-），男，籍貫：江西省九江市，碩士研究生，研究方向：建筑與土木工程。