中柱失效工況下鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌全過程分析

文/張?zhí)柡?舒贛平 潘 睿

本文選取鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對象，考慮了材料的損傷性能以及組合樓板中各組件之間的復(fù)雜接觸行為，采用ABAQUS建立了壓型鋼板組合樓板鋼框架結(jié)構(gòu)精細化有限元模型；同時以中柱失效工況為例，對其進行了全過程倒塌分析，揭示了鋼框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌受力機理，分析了各部件在倒塌過程中的抗力機制。

1 ABAQUS有限元模型建立

本文將結(jié)合壓型鋼板組合樓板梁板子結(jié)構(gòu)的殼-實體有限元模型對ABAQUS有限元建模方法、非線性材料屬性選取、接觸條件建立和約束邊界處理等問題進行詳細介紹。

壓型鋼板采用S4R單元，為四節(jié)點四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元，適用于有限薄膜應(yīng)變下的薄殼和厚殼問題?；炷翗前宀捎肅3D8R單元，為八節(jié)點線性減縮積分實體單元，能很好地模擬扭曲變形。樓板中的鋼筋采用T3D2單元，為兩節(jié)點桁架單元。

結(jié)構(gòu)模型中所包含部件有鋼梁、鋼柱、栓釘、壓型鋼板、鋼筋和混凝土，在ABAQUS有限元軟件中，需要合理地建立各部件之間的連接關(guān)系，使其形成一個結(jié)構(gòu)整體。有限元中各部件的連接關(guān)系示意圖如圖1所示。

本文采用適用于ABAQUS/Explicit模塊的Concrete Damage Plasticity（混凝土損傷塑性模型）混凝土本構(gòu)模型來模擬混凝土的力學(xué)行為，通過兩個獨立的單軸損傷變量dt和dc控制混凝土的損傷性能，見式（1）～（2）。

圖1 各部件之間的連接關(guān)系圖

鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系近似采用三折線模型表示；鋼材的彈性模量E0=2.25×105MPa，泊松比ν=0.3，應(yīng)力 應(yīng) 變 曲 線 上σy=393.75MPa，εy1=0.0018，εy2=0.004；εu=0.158，σu=492.19MPa；通過 Ductile Damage設(shè)置來實現(xiàn)延性金屬的受拉損傷失效。

通過以上設(shè)置，內(nèi)部中柱失效工況下鋼框架結(jié)構(gòu)梁-板子結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

2 鋼框架梁-板子結(jié)構(gòu)倒塌全過程分析

圖2 中柱失效-鋼框架梁-板子結(jié)構(gòu)模型

中柱失效工況下，對鋼框架梁-板子結(jié)構(gòu)進行倒塌全過程分析，得出結(jié)構(gòu)失效柱頭豎向位移隨外荷載的全過程變化曲線，如圖3所示。本文從結(jié)構(gòu)抗力機制角度將荷載-位移全過程劃分為兩個階段，組合結(jié)構(gòu)的抗彎機制和梁的懸鏈線效應(yīng)以及板的拉膜效應(yīng)機制。圖中可以捕捉到兩個階段的荷載峰值點，第一承載力峰值點（D1，F(xiàn)1）；第二承載力峰值點（D2，F(xiàn)2）。

圖3 荷載-位移曲線

通過ABAQUS顯示動力積分，梁板子結(jié)構(gòu)的極限豎向位移云圖見圖4；鋼梁和鋼板極限應(yīng)力云圖見圖5和圖6。

從荷載位移曲線圖中可以看出，Step Time=0.15時，外荷載F1為322.3kN，豎向位移D1為12.5mm，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)剛度退化；Step Time=0.675時，外荷載F2為1066.3kN，豎向位移D2為330.4mm，達到結(jié)構(gòu)最大承載力；極值點在Step Time=0.735時，外荷載為910.7kN，結(jié)構(gòu)豎向位移達到431.6mm；在Step Time=0.765時，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞坍塌，破壞點極限位移為563.8mm，如位移云圖4所示。此時，與失效柱相連鋼梁的最大轉(zhuǎn)角為0.21rad，大于DoD2016中規(guī)定的梁端轉(zhuǎn)角值0.2rad，滿足規(guī)范抗連續(xù)倒塌性能的要求。

圖4 極限豎向位移云圖

圖5 鋼梁極限應(yīng)力云圖

圖6 壓型鋼板極限應(yīng)力云圖

從圖5中可以看出，梁柱節(jié)點區(qū)域鋼梁的斷裂破壞決定了結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。由于壓型鋼板組合樓板具有明顯的各向異性受力特征，所以圖6中極限狀態(tài)下壓型鋼板約束端部的失效區(qū)域主要分布在與鋼梁接觸的強軸方向。為分析壓型鋼板的破壞過程，選取圖3中2個關(guān)鍵受力時刻的應(yīng)力云圖進行對比說明。